УПРАВЛЯЕМЫЙ ЭЛЕКТРОНИКОЙ ПРОТЕЗНЫЙ КОЛЕННЫЙ СУСТАВ, ПРОТЕЗНЫЙ УЗЕЛ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВРАЩЕНИЕМ ЭЛЕКТРОННОГО ПРОТЕЗА КОЛЕННОГО СУСТАВА Российский патент 2005 года по МПК A61F2/64 A61F2/68 

Область техники

Настоящее изобретение относится в целом к протезным суставам, а в частности, к управляемым тормозным системам для протезных коленных суставов.

Описание аналогов

В прошлом в протезных коленных суставах использовалось три типа тормозов с изменяющимся моментом: (1) сухие фрикционные тормоза, в которых поверхность одного материала трется о другую поверхность с изменяющейся силой; (2) тормоза с вязким моментом, использующие жидкость, выдавливаемую через сопло изменяющегося размера или пластину ограничения потока; и (3) магнитореологические (МР) тормоза или амортизаторы, в которых МР жидкость (содержащая мелкие железные частицы, находящиеся в воде в состоянии взвеси) выдавливается через фиксированное сопло или пластину ограничения потока, причем вязкость жидкости меняется в ответ на приложенное магнитное поле. Каждая из этих технологий, при обычной практике в области протезирования, может предъявлять определенные недостатки.

Хотя сухие фрикционные тормоза в общем случае могут обеспечить значительный диапазон момента для их размера, но при этом они часто нежелательно сложны для управления. После длительного использования фрикционные площадки изнашиваются, тем самым меняя фрикционные характеристики тормоза и ответ момента на заданный скомандованный момент. Как недостаток, это может вызвать ненадежную работу амортизатора, а следовательно, неблагоприятно воздействовать на походку человека без ноги, а также вызвать у него дискомфорт. Следовательно, сухие фрикционные тормоза могут нуждаться в частом обслуживании и/или замене, что нежелательно увеличивает стоимость.

При условиях высокой нагрузки тормоза с вязким моментом чувствительны к потере гидравлической жидкости и, вероятно, к другим повреждениям из-за чрезмерного наращивания давления. Как недостаток, это может выразиться в необратимом состоянии, т.к. когда один тормозной блок перегружен, он не может вернуться в нормальное состояние. Следовательно, такой тормоз с вязким моментом для протезного сустава предрасположен к катастрофическим повреждениям, а следовательно, он ненадежен и вреден для безопасности человека без ноги.

Термин "клапанный режим" относится к управлению потоком МР жидкости через сопло путем применения переменного магнитного поля перпендикулярно направлению течения в том месте, где механический клапан используется в обычных тормозах с вязким моментом. Как недостаток, МР тормоз, работающий в "клапанном режиме", также развивает наращивание внутреннего давления жидкости и следовательно так же подвержен традиционному повреждению в результате давления, тем самым подвергая человека без ноги риску.

Наиболее близким к заявляемому изобретению, как в части протезного коленного сустава, так и протезного узла, по технической сущности и достигаемому при использовании техническому результату, является управляемый электроникой протез коленного сустава, содержащий источник магнитного поля и магнитореологическую жидкость для получения изменяемого амортизирующего момента коленного сустава (DE 19754690 A (Biedermann Motech GMBH, 1999).

Сущность изобретения

Соответственно, одной главной целью и преимуществом настоящего изобретения является преодоление некоторых или всех упомянутых ограничений путем обеспечения протезного коленного сустава с изменяющимся моментом, приводимого в действие магнитореологически, при этом коленный сустав использует множество разнесенных и чередующихся роторов и статоров для сдвигания магнитореологической жидкости в промежутки, сформированные между ними. В качестве преимущества, при работе в "распределенном режиме" практически нет наращивания или изменения давления жидкости, либо оно совсем незначительно. Более того, желательно, чтобы многочисленные промежутки для МР жидкости или поверхности контакта с потоком позволяли получать высокий момент на низкой скорости, либо останавливаться без использования передачи, а также достигать широкого диапазона динамического момента и добавлять универсальности изобретению. Одно выполнение изобретения позволяет роторам и статорам закрывать промежутки между ними для создания составляющей фрикционного момента, тем самым формируя "гибридную" тормозную систему, которая обеспечивает общий момент или амортизацию, которые являются сочетанием вязкого момента и фрикционного момента.

В соответствии с одним предпочтительным выполнением предложен роторный протезный коленный сустав, приводимый в действие магнитореологически, для точного и скоростного управления движением нижней конечности. Этот протезный коленный сустав в общем случае содержит практически центральный сердечник и пару боковых пластин, множество помещенных с промежутками и чередующихся магнитно-мягких роторов и магнитно-мягких статоров, электромагнит, расположенный между сердечником и роторами и статорами, и пару подшипников. Сердечник и боковые пластины сформированы из магнитно-мягкого материала для создания магнитного возвратного контура. Роторы и статоры расположены так, чтобы формировать между собой промежутки. Промежутки содержат магнитореологическую жидкость, которая сдвигается во время вращения коленного сустава. Электромагнит реагирует на электрический сигнал для создания переменного магнитного поля, чтобы вызвать управляемое изменение вязкости магнитореологической жидкости. Подшипники находятся во вращательной связи с роторами и голенной частью нижней конечности для передачи стойкого к вращению момента от протезного коленного сустава на голенную часть.

В соответствии с другим предпочтительным выполнением предложен управляемый магнитореологический тормоз для искусственного коленного сустава для амортизации вращения коленного сустава. Магнитореологический коленный сустав в общем случае содержит множество установленных по очереди и разнесенных намагничиваемых роторов и намагничиваемых статоров, магнитореологическую жидкость и магнит. Роторы и статоры расположены концентрически вокруг продольной оси вращения искусственного коленного сустава. Магнитореологическая жидкость остается во множестве промежутков, сформированных между роторами и статорами. Магнит реагирует на прикладываемое напряжение и адаптируется, чтобы вырабатывать переменное магнитное поле, которое проходит через роторы, статоры и магнитореологическую жидкость. Сдвиг магнитореологической жидкости в промежутки между роторами и статорами создает изменяющийся момент, который точно управляет вращением искусственного коленного сустава.

В соответствии еще с одним предпочтительным выполнением предложен управляемый электроникой протезный коленный сустав для выработки широкого диапазона динамического момента. Протезный коленный сустав в общем случае содержит множество роторов, множество статоров и жидкость, приспособленную подвергаться реологическому изменению в ответ на приложенное магнитное поле. Роторы содержат железистый материал. Роторы могут вращаться и поперечно переноситься по продольной оси вращения протезного коленного сустава. Статоры содержат железистый материал и расположены с разнесением по очереди с роторами для формирования промежутков между ними. Статоры могут поперечно переноситься по оси вращения протезного коленного сустава. Жидкость остается в промежутках, сформированных между роторами и статорами. Приведение в действие магнитного поля вырабатывает управляемый изменяющийся момент амортизации коленного сустава во время вращения коленного сустава.

В соответствии еще с одним предпочтительным выполнением предложен вращающийся протезный коленный сустав для людей без ноги. Протезный коленный сустав в общем случае содержит вращающуюся внутреннюю рейку, множество роторов, находящихся в зацеплении с внутренней рейкой, множество статоров, расположенных с разнесением по очереди с роторами, внешнюю рейку, находящуюся в зацеплении со статорами, и магнитно управляемую среду, остающуюся во множестве герметичных промежутков между роторами и статорами. Магнитно управляемая среда приспособлена подвергаться управляемому изменению объемного свойства в ответ на приложенное магнитное поле, так что вращение роторов, которые сдвигают магнитно управляемую среду, точно управляется, а вращение протезного коленного сустава изменяемо амортизируется для обеспечения достаточно естественной походки для человека без ноги.

В соответствии с одним предпочтительным выполнением предложен магнитореологический тормоз с изменяющимся моментом для протезного коленного сустава. Тормоз в общем случае содержит практически центральный сердечник, первую боковую пластину, соединенную с первым концом сердечника, вторую боковую пластину, соединенную со вторым концом сердечника, и лопасть, способную вращаться и перемещаться в поперечном направлении, расположенную между первой боковой пластиной и второй боковой пластиной. Тормоз далее содержит магнитореологическую жидкость в паре микропромежутков, сформированных между лопастью и пластинами, и магнит для выработки такого магнитного поля, чтобы через сердечник, первую боковую пластину, вторую боковую пластину, лопасть и магнитореологическую жидкость создавалась магнитная цепь. Микропромежутки имеют размер, оптимально минимизированный так, что при нулевом значении магнитного поля между лопастью и боковыми пластинами практически нет фрикционного контакта, что позволяет протезному колену раскачиваться свободно и обеспечивать широкий динамический диапазон.

В соответствии с другим предпочтительным выполнением предложен управляемый вращающийся амортизатор для искусственного коленного сустава. Этот амортизатор в общем случае содержит множество разнесенных внутренних роторов и внешних роторов, множество пленок магнитореологической жидкости, пару боковых пластин и электромагнит. Внутренние роторы и внешние роторы установлены концентрически вокруг продольной оси протезного коленного сустава. Пленки магнитореологической жидкости находятся во множестве промежутков между внутренними роторами и внешними роторами. Пара боковых пластин с двух сторон сжимают внутренние роторы и внешние роторы, и по меньшей мере одна из боковых пластин может двигаться в поперечном направлении по продольной оси искусственного коленного сустава. Электромагнит приспособлен создавать магнитное поле через внутренние роторы, внешние роторы, магнитореологическую жидкость и боковые пластины. Относительное вращение между внутренними роторами и внешними роторами и поперечное движение по меньшей мере одной из боковых пластин вырабатывает изменяемый амортизирующий момент для управления вращением искусственного коленного сустава.

В соответствии с одним предпочтительным выполнением предложен способ быстрого и точного управления вращением электронного протезного коленного сустава. Протезный коленный сустав в общем случае содержит множество разнесенных в чередующемся порядке магнитно-мягких роторов, магнитно-мягких статоров и магнитореологической жидкости, находящейся во множестве промежутков, сформированных между роторами и статорами. Способ содержит операцию создания силы притяжения между роторами и статорами путем приложения магнитного поля, чтобы вызвать фрикционный контакт между соседними роторами и статорами. Это вызывает фрикционную амортизацию вращения протезного коленного сустава. Магнитореологическая жидкость, находящаяся в промежутках, сформированных между роторами и статорами, сдвигается для вязкой амортизации вращения упомянутого протезного коленного сустава. Магнитное поле регулируется для быстрого и точного изменения вязкости магнитореологической жидкости и силы притяжения между соседними роторами и статорами. Это обеспечивает изменяющееся вращательное сопротивление скручиванию для управления гибкостью и растягиванием протезного коленного сустава.

Для подытоживания изобретения и преимуществ, достигнутых по сравнению с аналогами, некоторые объекты и преимущества были описаны здесь выше. Конечно, должно быть понятно, что не все такие объекты и преимущества могут быть достигнуты в соответствии с любым конкретным выполнением изобретения. Таким образом, например, специалист поймет, что изобретение может быть воплощено или выполнено таким способом, который достигает или оптимизирует одно преимущество или группу преимуществ, как описано здесь, без необходимости достигать других объектов или преимуществ, как может быть описано или предложено здесь.

Имеется в виду, что все эти варианты выполнения входят в объем изобретения, раскрытый здесь. Эти и другие варианты выполнения настоящего изобретения будут ясны специалисту из нижеследующего подробного описания предпочтительных вариантов выполнения, имеющих ссылки на приложенные чертежи, и изобретение не ограничивается любым(и) конкретным(и) описанным(и) предпочтительным(и) вариантом(-ами) выполнения.

Краткое описание чертежей

Подытожив таким образом общую природу изобретения и присущие ему характеристики и преимущества, некоторые предпочтительные выполнения и их модификации будут ясны специалисту из подробного описания со ссылками на чертежи, на которых:

Фиг.1 является схематическим чертежом одного нормального цикла передвижения человека, иллюстрирующего различные положения конечности в фазах ходьбы и стояния на месте;

Фиг.2 является схематической иллюстрацией протезного комплекта для нижней конечности, содержащего управляемый электроникой протезный коленный сустав и имеющего характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.3 является упрощенным схематическим чертежом, показывающим обычную общую конфигурацию одного предпочтительного выполнения протезного коленного сустава по настоящему изобретению;

Фиг.4 является подробным изображением в разобранном виде протезного коленного сустава, приводимого в действие магнитореологически, имеющего характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.5 является видом поперечного сечения протезного коленного сустава по фиг.4;

Фиг.6 является видом в перспективе сердечника по фиг.4, имеющего характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.7 является видом сбоку сердечника по фиг.6;

Фиг.8 является видом с торца сердечника по фиг.6;

Фиг.9 является видом спереди одной из боковых пластин сердечника по фиг.4, имеющей характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.10 является видом сзади боковой пластины сердечника по фиг.9;

Фиг.11 является видом поперечного сечения по линии 11-11 на фиг.9;

Фиг.12 является увеличенным видом области 12-12 на фиг.11;

Фиг.13 является видом спереди объединенного сердечника и связанной с ним боковой пластины, имеющих характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.14 является видом поперечного сечения по линии 14-14 на фиг.13;

Фиг.15 является видом с торца внутренней рейки по фиг.4, имеющей характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.16 является видом поперечного сечения по линии 16-16 на фиг.15;

Фиг.17 является увеличенным видом области 17-17 на фиг.16;

Фиг.18 является видом спереди одного из роторов по фиг.4, имеющего характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.19 является видом сбоку ротора по фиг.18;

Фиг.20 является видом спереди одного из статоров по фиг.4, имеющего характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.21 является видом сбоку статора по фиг.20;

Фиг.22 является видом в перспективе внешней рейки по фиг.4, имеющей характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.23 является видом с торца внешней рейки по фиг.22;

Фиг.24 является видом сверху внешней рейки по фиг.22;

Фиг.25 является видом поперечного сечения по линии 25-25 на фиг.23;

Фиг.26 является видом в перспективе сердечника, имеющего характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.27 является видом сбоку сердечника по фиг.26;

Фиг.28 является видом с торца сердечника по фиг.26;

Фиг.29 является видом в перспективе первой боковой пластины сердечника, имеющей характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.30 является видом спереди боковой пластины сердечника по фиг.29;

Фиг.31 является видом сзади боковой пластины сердечника по фиг.29;

Фиг.32 является видом поперечного сечения по линии 32-32 на фиг.31;

Фиг.33 является увеличенным видом области 33-33 на фиг.32;

Фиг.34 является видом в перспективе второй боковой пластины сердечника, имеющей характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.35 является видом сзади боковой пластины сердечника по фиг.34;

Фиг.36 является видом поперечного сечения по линии 36-36 на фиг.35;

Фиг.37 является видом в перспективе магнитной катушки, имеющей характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.38 является видом сзади магнитной катушки по фиг.37;

Фиг.39 является видом поперечного сечения по линии 39-39 на фиг.38;

Фиг.40 является видом в перспективе внутренней рейки, имеющей характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.41 является видом сзади внутренней рейки по фиг.40;

Фиг.42 является видом сбоку внутренней рейки по фиг.40;

Фиг.43 является увеличенным видом области 43-43 на фиг.41;

Фиг.44 является увеличенным видом области 44-44 на фиг.42;

Фиг.45 является видом спереди ротора, имеющего характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.46 является видом сбоку ротора по фиг.45;

Фиг.47 является увеличенным видом области 47-47 на фиг.45;

Фиг.48 является видом спереди статора, имеющего характеристики и преимущества в соответствий с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.49 является видом сбоку статора по фиг.48;

Фиг.50 является увеличенным видом области 50-50 на фиг.48; и

Фиг.51 является схематическим видом поперечного сечения другого предпочтительного выполнения протезного коленного сустава, приводимого в действие магнитореологически, в котором магнитный возвратный контур проходит через внешнюю часть коленного сустава.

Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения

Понимание нормального хождения/бега человека обеспечивает основу для конструкции и разработки эффективных протезов нижних конечностей с управляемым движением. Обычное передвижение или походка человека могут быть описаны как последовательность ритмических чередующихся движений нижних конечностей и туловища, которые выражаются в продвижении вперед центра тяжести тела.

Один типичный цикл походки, как схематически показано на фиг.1, содержит действие, которое проявляется между ударом пяткой одной нижней конечности 10 и последующего удара пяткой той же конечности 10. Конечность или нога 10 в общем случае содержит стопу 12, голенную часть 14, соединенную или сочлененную с бедренной частью 16 коленом или коленным суставом 18. В течение единственного цикла походки каждая нижняя конечность проходит одну фазу 20 стояния или вытягивания и одну фазу 22 ходьбы.

Фаза 20 стояния начинается с удара 24 пяткой, когда пятка касается пола или поверхности земли, и стоящее колено начинает слегка сгибаться. Это сгибание позволяет самортизировать воздействие и также поддерживает центр тяжести тела в более постоянном вертикальном положении при стоянии.

Сразу после удара 24 пяткой ступня контактирует с землей в начале фазы 26 плоской ступни. После того как в стоящем колене достигнуто наибольшее сгибание, сустав начинает снова вытягиваться, пока не будет достигнуто максимальное вытягивание в средней фазе стояния 28, когда вес тела переносится на поддерживающую конечность и продолжает вращать ступню.

Когда масса тела над лодыжкой продолжает вращаться вперед, пятка отрывается от земли в точке 30 отрыва пятки. Сразу после этого тело продвигается вперед мощным действием икроножных мышц (отталкивание). Фаза отталкивания заканчивается, когда вся ступня отрывается от земли в точке 32 отрыва пальцев.

В момент окончания стояния колено опорной ноги сгибается в подготовке к отрыву ступни от земли для шага. На это явление в литературе обычно ссылаются как на "тормоз коленного сустава". В это время соседняя ступня ударяет по земле и тело находится в "режиме двойной опоры", то есть обе ноги поддерживают вес тела.

В точке 32 отрыва пальцев, когда бедро сгибается и колено достигает определенного угла в тормозе коленного сустава, ступня отрывается от земли и колено продолжает сгибаться в фазе ходьбы. В начале фазы ходьбы ступня ускоряется. После достижения максимального сгиба в средней фазе 34 ходьбы колено начинает выпрямляться и ступня замедляется. После того как колено достигло полного выпрямления, ступня снова опускается на землю в точке 24' удара пятки, и начинается следующий цикл передвижения.

Обычно анатомическим положением является вертикальное положение, поэтому сгибание является движением тела частично из выпрямленного, стоящего или анатомического положения. Таким образом, сгибание коленного сустава является коленным сгибанием. Выпрямление является движением конечности в анатомическое положение, таким образом, выпрямление коленного сустава является движением в направлении "выпрямления".

В процессе обычного перемещения ходьбой в основном по ровной поверхности максимальный угол α_F сгибания меняется от 70° до 80°. Максимальный угол α_E выпрямления обычно равен 180° или близок к нему. Таким образом, при ходьбе по равнине обычное колено человека вращается в диапазоне примерно 70°-80° от положения полного выпрямления в ранней и средней фазе стояния до 70°-80° сгибания сразу после отрыва пальцев. В других ситуациях, например, в сидячем положении, максимальный угол α_F сгибания может быть 140°-150°.

Обзор системы

Фиг.2 является схематической иллюстрацией протезного комплекта или протеза 100 для нижней конечности, содержащего управляемый электроникой протезный коленный сустав и имеющего характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения. Как описано ниже с большими подробностями, предпочтительно, чтобы активный коленный протез содержал магнитореологическую (МР) тормозную систему 110 с изменяющимся моментом для обеспечения сил сопротивления, чтобы практически моделировать положения и движения естественного коленного сустава при хождении и/или другой передвижной деятельности, выполняемой человеком без ноги. Одним концом искусственное колено 110 связано или механически соединено с углублением 102 для оставшейся конечности, которое принимает оставшуюся конечность или бедренную часть 104 человека без ноги, тогда как другой конец протезного коленного сустава 110 связан или механически соединен с опорной или голенной частью 106, которая, в свою очередь, связана или механически соединена с протезной или искусственной ступней 108.

В качестве преимущества, протезный коленный сустав по настоящему изобретению позволяет человеку без ноги передвигаться и/или комфортно и безопасно адаптироваться к большому множеству обстоятельств. Например, при хождении, беге, сидении, либо при обнаружении небольших или серьезных изменений в окружающей среде или внешних условиях, таких как те, когда пользователь поднимает чемодан или идет вниз по наклонной поверхности.

Искусственный коленный сустав 110 обеспечивает контроль за стоянием для ограничения прогиба, когда на конечность прикладывается вес. Кроме того, протезный коленный сустав 110 обеспечивает воздушный контроль за ходьбой, так что колено достигает полного выпрямления прямо перед или в момент удара пяткой плавным и естественным образом. Более того, протезный коленный сустав 110 путем регулировки и/или тонкой настройки диапазона и/или величины уровня резистивного момента может быть приспособлено для использования широким кругом пациентов, имеющих различный вес тела, рост и уровни активности.

Предпочтительно искусственный коленный сустав 100 по настоящему изобретению используется для пациентов с трансбедренной ампутацией (выше коленного сустава, В/К). Альтернативно или опционально, протезный коленный сустав может быть приспособлен для использования пациентами с экзартикуляцией коленного сустава (Э/К), когда ампутация проходит через коленный сустав, как необходимо или желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения в основном естественного ощущения и/или безопасного протезного устройства, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Фиг.3 является упрощенным схематическим чертежом вращающегося протезного коленного сустава или магнитореологической (МР) тормозной системы 110 в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения. Коленный привод 110 включает в себя практически центральный сердечник 112, в основном окруженный или обернутый электромагнитом или магнитной катушкой 114, и находится в механическом соединении с парой боковых пластин или дисков 116, 118. Путем пропускания переменного управляемого тока через электромагнит 114 создается переменное магнитное поле. Предпочтительно сердечник 112 и боковые пластины 116, 118 изготавливаются из железистого, намагничиваемого или магнитного материала и т.п. Более предпочтительно, сердечник 112 и боковые пластины 116, 118 изготавливаются из магнитно-мягкого материала с высокой индукцией насыщения и высокой магнитной проницаемостью.

Протезный коленный сустав 110 далее включает в себя множество внутренних лопастей или пластин 120, находящихся в механической связи с внутренней рейкой 122. Внутренняя рейка 122 в общем случае описывает или окружает электромагнит 114 и связана или механически соединена с боковыми пластинами 116, 118. Лопасти 120 предпочтительно расположены концентрически вокруг тормозной оси 124 вращения. Внутренняя рейка 122 предпочтительно способна вращаться вокруг оси 124 вращения коленного сустава, а следовательно, также и лопасти или роторы 120 и боковые пластины 116, 118 сердечника. Вращение внутренней рейки 122 соответствует вращению или движению нижней (ниже коленного сустава) части ноги.

Протезный коленный сустав 110 также содержит множество внешних лопастей или пластин 130 в механической связи с внешней рейкой 132. Внешняя рейка 132 в общем случае окружает или обертывает внутреннюю рейку 122. Лопасти 130 предпочтительно расположены концентрически вокруг тормозной оси 124 вращения. Внешняя рейка 132 предпочтительно способна вращаться вокруг оси 124 вращения коленного сустава, а следовательно, так же вращаются и лопасти или статоры 130. Вращение внешней рейки 132 соответствует вращению или движению верхней (выше коленного сустава) части ноги. Предпочтительно внешняя рейка или корпус 132 содержит средство облегчения соединения протезного коленного сустава 110 с пригодным углублением для культи или ему подобным. Внешняя рейка 132, а следовательно, и статоры 130 предпочтительно либо связаны без вращения с углублением для культи или с оставшейся конечностью, либо без возможности вращения по отношению к нему.

Множество роторов 120 и статоров 130 разнесены в чередующемся порядке и промежутки между соседними лопастями 120 и 130 содержат магнитореологическую (МР) жидкость 134, которая, таким образом, остается в полости или проходе, сформированном между внутренней рейкой 122 и внешней рейкой 132. В одном предпочтительном выполнении МР жидкость 134 в промежутках или микропромежутках между соседними роторами 120 и статорами 130 находится в форме тонких смазочных пленок между соседними роторами 120 и статорами 130. Сдвиг МР жидкости, происходящий между боковыми пластинами 116, 118 и соседними статорами 130, также может внести вклад в амортизацию коленного сустава.

Во время вращения коленного сустава, МР жидкость во множестве промежутков между роторами 120 и статорами 130 сдвигается для выработки амортизирующего момента для управления вращением конечности. Лопасти или диски 120 и 130 предпочтительно сформированы из железистого, намагничиваемого или магнитного материала и т.п. Более предпочтительно, лопасти или диски 120 и 130 сформированы из материала с высокой магнитной проницаемостью и магнитной мягкостью, так как это механически практично.

Коленный сустав 110 далее включает в себя пару шарикоподшипников 126, 128, соединенных или связанных с соответствующими боковыми пластинами 116, 118. Шарикоподшипники 126, 128 далее соединены или связаны с соответствующими боковыми стенками или крепежными вилками 136, 138. Таким образом, между внутренней рейкой 122 и монтажными вилками 136, 138 создается вращательное соединение. Монтажные вилки 136, 138 в сочетании с внешней рейкой 132 формируют один основной внешний каркас коленного сустава 110. Предпочтительно, боковые стенки или монтажные вилки 136, 138 содержат средства для облегчения соединения протезного коленного сустава 110 с пригодной опорой, голенной частью или чем-то подобным, как описано ниже.

Предпочтительно, центральный сердечник 112 и электромагнит 114 также вращаются вместе с вращением внутренней рейки 122, роторов 120, боковых пластин 116, 118 сердечника и крепежных вилок 136, 138. Статоры 130 вращаются вместе с вращением внешней рейки 132.

Роторы 120 закреплены с возможностью вращения относительно внутренней рейки 122, а статоры 130 закреплены с возможностью вращения относительно внешней рейки 132. Роторы 120 могут вращаться в течение различных этапов передвижения или вращения коленного сустава и вокруг оси вращения 124 коленного сустава, тогда как статоры 130 практически неподвижны в отношении вращения, либо статоры 130 могут вращаться, тогда как роторы 120 практически неподвижны в отношении вращения, либо как роторы 120, так и статоры 130 могут одновременно вращаться, либо быть практически неподвижными в отношении вращения. Термины "ротор" и "статор" используются, чтобы разделить внутренние лопасти 120 и внешние лопасти 130, хотя как роторы 120, так и статоры 130 могут вращаться, и показать, что между роторами 120 и статорами 130 создается относительное вращательное движение (с МР жидкостью, которая начинает сдвигаться в промежутки между соседними роторами 120 и статорами 130). Если требуется, лопасти 120 можно называть "внутренними роторами", а лопасти 130 можно называть "внешними роторами".

Приведение магнита 114 в действие заставляет вырабатывать или создавать в коленном суставе 110 магнитное поле, цепь или контур 140. В одном предпочтительном выполнении магнитное поле 140 проходит через центральный сердечник 112, выходит в радиальном направлении наружу через боковую пластину 118, в поперечном направлении через разнесенный набор роторов 120 и статоров 130 и магнитореологическую жидкость 134, и в радиальном направлении внутрь через боковую пластину 116. Часть магнитного поля 140, проходящая через сердечник 112 и боковые пластины 116, 118, в общем случае определяет магнитный возвратный контур, тогда как активное или функциональное магнитное поле в общем случае определяется магнитным контуром через роторы 120, статоры 130 и МР жидкость 134.

Магнитореологическая (МР) жидкость 134 подвергается изменению реологии или вязкости, которое зависит от величины приложенного магнитного поля. В свою очередь, это изменение вязкости жидкости определяет величину сдвигающей силы/усилия, выработанного момента или сопротивления скручиванию, а следовательно, и степень амортизации, обеспечиваемой протезным коленом 110. Таким образом, путем управления величиной этого магнитного поля управляется вращательное движение искусственной конечности, например, для управления сгибанием и выпрямлением во время фаз ходьбы и стояния на месте, чтобы обеспечить более естественное передвижение человека без ноги.

В одном предпочтительном выполнении роторы 120 и/или статоры 130 могут переноситься в поперечном направлении 142, а следовательно, под воздействием магнитного поля могут тереться о соседние роторы 120 и/или статоры 130 с переменным усилием, определяемым напряженностью магнитного поля, для создания "гибридного" магнитореологического и фрикционного амортизирующего тормоза. В другом предпочтительном выполнении роторы 120 и статоры 130 зафиксированы в продольном направлении в положении относительно планок 122 и 132, и следовательно тормозящий эффект в основном чисто магнитореологический или вязкий. Альтернативно, некоторые роторы 120 и/или статоры 130 могут быть зафиксированы в продольном направлении, тогда как остальные могут смещаться в продольном направлении, как требуется или как желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения практически естественного ощущения и/или безопасного протезного устройства, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь. В одном выполнении боковые пластины 116, 118 могут смещаться в поперечном направлении и способствовать фрикционной амортизации из-за фрикционного контакта с соседними статорами 130.

Является преимуществом тот факт, что при работе в распределенном режиме в протезном колене, приводимом в действие магнитореологически, по настоящему изобретению не имеется либо имеется совсем незначительное наращивание давления. Это существенно устраняет или уменьшает шансы на утечку жидкости и повреждение коленного сустава, а следовательно, желательно увеличивает безопасность устройства.

Также является преимуществом тот факт, что множественные поверхности сдвига или поверхности контакта с потоком, обеспеченные предпочтительными вариантами выполнения настоящего изобретения, ведут себя как усилитель момента и позволяют уровню вязкого момента останавливаться на желаемом максимальном значении без использования дополнительной передачи или другой вспомогательной составляющей. Например, если две поверхности контакта с потоком могут обеспечить максимальный вязкий момент примерно 1 Н/м, то 40 поверхностей контакта с потоком будут способны обеспечить вязкий амортизирующий момент примерно 40 Н/м. Напротив, если для увеличения вязкого момента используется повышающая передача 40:1, как недостаток, нежелательно увеличиваются не только инерция, отраженная системой, усиленная коэффициентом 1600, но и вес, размер и сложность системы.

Множественные поверхности сдвига или поверхности контакта протезного коленного сустава в предпочтительных вариантах выполнения также в качестве преимущества позволяют достигать широкого диапазона динамического момента, что обеспечивает безопасное и/или более естественное передвижение пациента. Желательно, чтобы протезный коленный сустав, приводимый в действие магнитореологически, в предпочтительных вариантах выполнения, обеспечивал быструю и точную реакцию. Опять-таки, это позволяет пациенту передвигаться безопасным и/или более естественным образом.

Протезный коленный сустав, приводимый в действие магнитореологически

Фиг.4 и 5 показывают управляемый вращательный протезный коленный сустав 210, имеющий характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения. Протезный коленный сустав 210 вырабатывает управляемые рассеивающие усилия, предпочтительно в основном вдоль или вокруг оси вращения 224 коленного сустава.

Управляемое электроникой колено 210 в общем случае содержит практически центральный сердечник 210, находящийся в механической связи с парой способных вращаться боковых пластин 216, 218, электромагнит 214, множество лопастей или роторов 220, находящихся в механической связи со способной вращаться внутренней рейкой 222, множество лопастей или статоров 230, находящихся в механической связи со способной вращаться внешней рейкой 232, пару шарикоподшипников 226, 228 для передачи вращательного движения к паре внешних боковых стенок или вилок 236, 238. Вращение происходит в основном вокруг оси вращения 224 коленного сустава.

Множество роторов 220 и статоров 230 предпочтительно разнесены чередующимся образом, и промежутки или микропромежутки между соседними лопастями 220 и 230 содержат тонкие смазочные пленки из магнитореологической (МР) жидкости, которая тем самым оседает в полости или проходе, сформированном между внутренней рейкой 222 и внешней рейкой 232. Это предпочтительное выполнение обеспечивает управляемый и надежный искусственный коленный сустав, который, в качестве преимущества, имеет широкий диапазон динамического момента путем сдвига МР жидкости в множественных промежутках или поверхностях контакта с потоком между соседними роторами 220 и статорами 230.

Предпочтительно, стержни 248 с резьбой на концах и гайки 250 используются для скрепления выбранных составляющих протезного коленного сустава 210, тем самым позволяя проводить операции непосредственной сборки и разборки с минимумом крепежных деталей. Альтернативно, или в дополнение, различные другие типы крепежных деталей, например, винты, штифты, замки, зажимы и т.п. могут эффективно использоваться, как требуется или как желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения прочного прикрепления и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Сердечник и связанные с ним боковые пластины (магнитный возвратный контур)

Предпочтительно, сердечник 212 и связанные с ним боковые пластины 216, 218 сформированы из магнитно-мягкого материала с высокой индукцией насыщения и высокой магнитной проницаемостью. Таким образом, когда электромагнит 214 приводится в действие, внутри коленного сустава 210 вырабатываются или создаются магнитное поле, цепь или контур. В одном предпочтительном выполнении магнитное поле проходит в продольном направлении (параллельно оси вращения 244) через центральный сердечник 212, в радиальном направлении через боковую пластину 218, в поперечном направлении (параллельно поперечному направлению 242) через разнесенный набор роторов 220 и статоров 230 и магнитореологическую (МР) жидкость, и в радиальном направлении через боковую пластину 216.

Ориентирование или расположение электромагнита 214 и направление прохождения тока через него определяет полярность магнитного поля, и тем самым определяет, проходит ли магнитное поле в радиальном направлении внутрь или наружу через боковую пластину 218, и следовательно, в соответственно обратном направлении через боковую пластину 216. Часть магнитного поля, проходящего через сердечник 212 и боковые пластины 216, 218, в общем случае определяют магнитный возвратный контур, когда активное или функциональное магнитное поле в общем случае определено магнитным контуром через роторы 220, статоры 230 и МР жидкость, остающуюся между ними.

Фиг.6-8 показывают одно предпочтительное выполнение сердечника 212 коленного сустава 210. Сердечник 212 предпочтительно в общем случае цилиндрический по форме и содержит пару цилиндрических частей 252, 254, где часть 252 сердечника имеет больший диаметр, чем часть 254 сердечника. Часть 252 сердечника имеет размер и сконфигурирована так, чтобы сопряженным образом зацепляться с соответствующей полостью боковой пластины 216 сердечника, тогда как часть 254 сердечника имеет размер и сконфигурирована так, чтобы сопряженным образом зацепляться с соответствующей полостью боковой пластины 218 сердечника. Таким образом, сердечник 212 вращается, когда вращаются боковые пластины 216, 218 сердечника. В других предпочтительных вариантах выполнения сердечник 212 может иметь размер, форму и/или быть сконфигурирован альтернативным образом с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Сердечник 212 предпочтительно изготовлен из материала, имеющего высокую индукцию насыщения, высокую магнитную проницаемость и низкую коэрцитивную силу. В качестве преимущества, это способствует изготовлению искусственного коленного сустава или тормоза, который является компактным и легким по весу, а также прочным. В одном предпочтительном выполнении сердечник 212 содержит единый блок, в другом предпочтительном выполнении, сердечник 212 сформирован из прокатанных ламинированных листов, чтобы, в качестве преимущества, устранять или минимизировать потери от вихревых токов.

Предпочтительно, сердечник 212 содержит сплав железо-кобальт (FeCo) с высоким магнитным насыщением. В одном предпочтительном выполнении сердечник 212 содержит сплав железо-кобальт с высоким магнитным насыщением (ASTM А-801, сплав типа 1), который определяет состав с 50-процентным содержанием кобальта. Например, сердечник 212 может содержать сплав Hiperco 50^®, Permendur V™ или Vanadium Pemendur, доступные от фирмы Principal Metals, либо сплав Vacoflux 50, доступный от фирмы Vacuumschmelze, г. Ханау, Германия. Еще в одном предпочтительном выполнении сердечник 212 содержит низкий процент кобальта, например, 17%, доступный как сплав Vacoflux 17 от фирмы Vacuumschmelze, г.Ханау, Германия. В других предпочтительных вариантах выполнения сердечник 212 может эффективно изготавливаться из альтернативных материалов с высоким магнитным насыщением, высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой, как требуется или как желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении материал, содержащийся в сердечнике 212, имеет индукцию насыщения, равную 2,2 Тесла. Такая высокая индукция насыщения желательна, поскольку она допускает компактную и легкую по весу конструкцию. Например, если использован материал, имеющий меньшую индукцию насыщения, область поперечного сечения возвратного контура через сердечник 212 в направлении приложенного магнитного поля будет подлежать увеличению, чтобы достигнуть такого же максимального момента и диапазона динамического момента. В других предпочтительных вариантах выполнения индукция насыщения сердечника может быть больше или меньше, как необходимо или желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Предпочтительно, сердечник 212 сформирован механической обработкой с последующей тепловой обработкой в водородной атмосфере для достижения оптимальных магнитных характеристик. В других предпочтительных вариантах выполнения сердечник 212 может быть эффективно изготовлен по другим технологиям, например, среди прочего, литьем, ковкой, формовкой, прокаткой, как требуется или как желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения желательных магнитных характеристик и пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении и со ссылкой, в частности, на фиг.7, сердечник 212 имеет такие размеры и сконфигурирован так, что длина L₇₁ равна 3,076 см (1,211 дюйма), длина L₇₂ равна 0,61 см (0,240 дюйма), диаметр D₇₁ равен 1,728 см (0,6805 дюйма), диаметр D₇₂ равен 1,424 см (0,5605 дюйма). В другом предпочтительном выполнении диаметр D₇₁ и/или диаметр D₇₂ равен 1,91 см (0,750 дюйма). В других предпочтительных вариантах выполнения сердечник 212 может иметь размеры и/или быть сконфигурирован альтернативными способами с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Фиг.9-12 показывают одно предпочтительное выполнение боковой пластины или диска 216 сердечника протезного коленного сустава 210. Боковая пластина 216 в общем случае предпочтительно кольцевая по форме и содержит практически центральную кольцевую полость или сквозное отверстие 256 для сопряженного зацепления со свободным концом части 252 сердечника. Предпочтительно, чтобы это сопряженное прикрепление происходило с помощью посадки с натягом. Альтернативно, другие пригодные формы для боковой пластины 216 и полости 256 могут быть эффективно применены, когда необходимо или желательно.

В одном предпочтительном выполнении другая боковая пластина или диск 218 сердечника имеет такие же размеры, форму и сконфигурирована в основном так же, как и боковая пластина 216 по фиг.9-12, исключая то, что практически центральная кольцевая полость боковой пластины 218 сердечника имеет такие размеры, форму и сконфигурирована так, чтобы сопряженным образом зацепляться с частью 254 сердечника, предпочтительно с помощью посадки с натягом. Таким образом, в целях ясности и краткости описания, должно быть понятно, что подробное описание боковой пластины 216 сердечника будет достаточным и будет заключать в себе большинство соответствующих характеристик боковой пластины 218 сердечника.

Предпочтительно, боковая пластина 216 содержит множество разнесенных на приблизительно равные расстояния сквозных отверстий 258, упорядоченных практически кольцевым образом, для приема стержней с резьбой на концах или болтов и т.п. для прикрепления различных составляющих протезного коленного сустава 210. В одном предпочтительном выполнении боковая пластина 216 содержит пять отверстий 258. В другом предпочтительном выполнении боковая пластина 216 содержит три отверстия 258. Альтернативно, может быть обеспечено больше или меньше отверстий 258, расположенным другими способами, как требуется или как желательно.

Боковая пластина 216 сердечника предпочтительно содержит кольцевую канавку 260 для приема уплотнительного кольца 262 (фиг.4), манжетного уплотнения или прокладок и т.п. Это обеспечивает динамическое уплотнение между способной вращаться боковой пластиной 216 и внутренней поверхностью способной вращаться внешней рейки 232 и предотвращает утечку МР жидкости из коленного сустава 210. Другая боковая пластина 218 аналогично сконфигурирована для приема уплотнительного кольца 262 (фиг.4) и обеспечения динамического уплотнения. В альтернативном предпочтительном выполнении две канавки или выступа предусмотрены на внутренней поверхности внешней рейки 232 для приема уплотнительных колец или им подобных и обеспечения динамического уплотнения между боковыми пластинами 216, 218 сердечника и внешней рейкой 232.

Уплотнительные кольца 262 изготавливаются из подходящего резинового материала, такого как, среди прочего, витон, тефлон и неопрен. В одном предпочтительном выполнении уплотнительные кольца 262 имеют внутренний диаметр 50 мм и ширину 1,5 мм. В других предпочтительных вариантах выполнения динамические уплотнения могут иметь размеры и/или быть сконфигурированы альтернативными способами с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения надежных уплотнений, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Внутренняя поверхность боковой пластины 216 сердечника предпочтительно имеет в общем случае кольцевую кромку или выступ 264 для выравнивания или размещения вместе с внутренней рейкой 222 (фиг.4). Внешняя поверхность пластины 216 сердечника предпочтительно имеет в общем случае кольцеобразную кромку или выступ 266 для выравнивания или размещения вместе с внешней вилкой 236 (фиг.4). Опционально, выступ 266 может включать в себя вырез 268, чтобы обеспечить пространство для электрических проводов или выводов. Другие отверстия вокруг центральной полости 256 могут быть предусмотрены для прохождения электрических проводов или выводов. Предпочтительно, чтобы внешняя поверхность боковой пластины 216 сердечника включала в себя заостренную часть 270. В качестве преимущества, это уменьшает массу, экономит материал и также предоставляет пространство, способствующее сборке.

Боковая пластина 216 сердечника предпочтительно изготовлена из материала, имеющего высокую индукцию насыщения, высокую магнитную проницаемость и низкую коэрцитивную силу. В качестве преимущества это способствует конструированию искусственного коленного сустава или тормоза компактным, легким по весу и также прочным. В одном предпочтительном выполнении пластина 216 сердечника содержит единый блок. В другом предпочтительном выполнении пластина 216 сердечника сформирована из прокатанных ламинированных листов, чтобы, в качестве преимущества, устранять или минимизировать потери от вихревых токов.

Предпочтительно пластина 216 сердечника содержит сплав железо-кобальт (FeCo) с высоким магнитным насыщением. В одном предпочтительном выполнении пластина 216 сердечника содержит сплав железо-кобальт с высоким магнитным насыщением (ASTM А-801, сплав типа 1), который определяет состав с 50-процентным содержанием кобальта. Например, сердечник 212 может содержать Сплав Hiperco 50^®, Permendur V™ или Vanadium Pemendur, доступные от фирмы Principal Metals, либо сплав Vacoflux 50, доступный от фирмы Vacuumschmelze, г.Ханау. Еще в одном предпочтительном выполнении пластина 216 сердечника содержит низкий процент кобальта, например, 17%, доступный как сплав Vacoflux 17 от фирмы Vacuumschmelze, г.Ханау, Германия. В других предпочтительных вариантах выполнения пластина 216 сердечника может эффективно изготавливаться из альтернативных магнитно-мягких материалов или им подобных, как требуется или как желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении материал, содержащийся в боковой пластине 216 сердечника, имеет индукцию насыщения, равную 2,2 Тесла. Такая высокая индукция насыщения желательна, поскольку она допускает компактную и легкую по весу конструкцию. Например, если использован материал, имеющий меньшую индукцию насыщения, область поперечного сечения возвратного контура через боковую пластину 216 сердечника в направлении приложенного магнитного поля будет подлежать увеличению, чтобы достигнуть такого же максимального момента и диапазона динамического момента. В других предпочтительных вариантах выполнения индукция насыщения боковой пластины сердечника может быть больше или меньше, как необходимо или как желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Предпочтительно, боковая пластина 216 сердечника сформирована механической обработкой с последующей тепловой обработкой в водородной атмосфере для достижения оптимальных магнитных характеристик. В других предпочтительных вариантах выполнения боковая пластина 216 сердечника может быть эффективно изготовлена по другим технологиям, например, среди прочего, литьем, ковкой, формовкой, прокаткой, как требуется или как желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения желательных магнитных характеристик и пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении и со ссылкой, в частности, на фиг.9, боковая пластина 216 сердечника имеет такие размеры и сконфигурирована так, что основной диаметр D₉₁ равен 5,240 см (2,063 дюйма), диаметр D₉₂ невидимого круга равен 2,845 см (1,120 дюйма), диаметр D₉₃ равен 1,727 см (0,6800 дюйма), и диаметр D₉₄ равен 2,82 см (0,111 дюйма). Диаметр D₉₃ предпочтительно выбирается для обеспечения посадки с натягом между центральной полостью 256 боковой пластины 216 и свободным концом части 252 сердечника. В другом предпочтительном выполнении диаметр D₉₃ центральной полости 256 равен 1,91 см (0,750 дюйма). Соответствующая центральная полость другой боковой пластины 218 сердечника имеет диаметр, который предпочтительно выбирается для обеспечения посадки с натягом со свободным концом части 254 сердечника. В других предпочтительных вариантах выполнения боковые стороны 216 и 218 сердечника могут иметь размеру и/или быть сконфигурированы альтернативными способами с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении и со ссылкой, в частности, на фиг 10, боковая пластина 216 сердечника имеет такие размеры и сконфигурирована так, что диаметр D₁₀₁ равен 2,43 см (0,958 дюйма), диаметр D₁₀₂ равен 2,29 см (0,900 дюйма), а ширина W₁₀₁ равна 3,3 мм (0,13 дюйма). В других предпочтительных вариантах выполнения боковая пластина 216 сердечника может иметь размеры и/или быть сконфигурирована альтернативными способами с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении и со ссылкой, в частности, на фиг.11, боковая пластина 216 сердечника имеет такие размеры и сконфигурирована так, что диаметр D₁₁₁ равен 5,011 см (1,973 дюйма), диаметр D₁₁₂ равен 4,801 см (1,890 дюйма), диаметр D₁₁₃ равен 2,461 см (0,969 дюйма), диаметр D₁₁₄ равен 3,56 см (1,4 дюйма), ширина W₁₁₁ равна 5,59 мм (0,220 дюйма), ширина W₁₁₂ равна 0,508 мм (0,020 дюйма), ширина W₁₁₃ равна 1,27 мм (0,050 дюйма), и угол θ₁₁₁ равен 135°. В других предпочтительных вариантах выполнения боковая пластина 216 сердечника может иметь размеры и/или быть сконфигурирована альтернативными способами с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении и со ссылкой, в частности, на фиг.12, боковая пластина 216 сердечника имеет такие размеры и сконфигурирована так, что длина L₁₂₁ равна 1,14 см (0,045 дюйма), ширина W₁₂₁ равна 2,79 мм (0,110 дюйма), ширина W₁₂₂ равна 1,52 мм (0,060 дюйма), ширина W₁₂₃ равна 0,64 мм (0,025 дюйма), ширина W₁₂₄ равна 0,97 мм (0,038 дюйма), радиус кривизны R₁₂₁ равен от 0,254 мм (0,010 дюйма) до 0,127 мм (0,005 дюйма), и радиус кривизны R₁₂₂ равен 3,81 мм (0,15 дюйма). В других предпочтительных вариантах выполнения боковая пластина 216 сердечника может иметь размеры и/или быть сконфигурирована альтернативными способами с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Боковые пластины 216, 218 сердечника находятся в механической связи с парой соответствующих подшипников 226, 228 (фиг.4) для передачи вращательного движения от внутренней рейки 222 (и следовательно, роторов 220) на пару соответствующих внешних вилок 236, 238, которые, в свою очередь, механически связаны с опорой или протезной голенной частью. Могут быть использованы любые из подходящих подшипников, известные в уровне техники. В одном предпочтительном выполнении подшипники 226, 228 содержат шарикоподшипники AST P/N B544DDXA, доступные от фирмы The Torrington Company из г.Торрингтон, штат Коннектикут.

Электромагнит или магнитная катушка 214 (фиг.4) в общем случае окружает сердечник 212 и предпочтительно находится в механической связи с сердечником 212 и/или боковыми пластинами 216, 218 сердечника, так что электромагнит 214 вращается вместе с вращением сердечника 212 и/или боковых пластин 216, 218 сердечника. Сердечник 212 в общем случае содержит бобину с обмоткой или катушку. Число оборотов или витков обмотки оптимизировано. В одном предпочтительном выполнении обмотка содержит 340 оборотов или витков. В других предпочтительных вариантах выполнения меньшее или большее количество оборотов или витков может быть использовано с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям оптимизации производительности и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Обмотка электромагнита 214 предпочтительно содержит медную магнитную проволоку 30 AWG. В других предпочтительных вариантах выполнения обмотка может содержать другие типы материалов с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям оптимизации производительности и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Фиг.13 и 14 показывают одно предпочтительное выполнение сердечника 212', имеющего сформированные зацело боковые пластины 218' сердечника для использования совместно с коленным суставом, приводимым в действие магнитореологически, по настоящему изобретению. Если желательно, то обе боковые пластины сердечника могут быть сформированы зацело вместе с сердечником 212'. Выполнение по фиг.13-14 имеет несколько характеристик, которые уже были обсуждены выше. Таким образом, в целях ясности и краткости описания, должно быть понятно, что здесь достаточно ограниченного описания этого выполнения, как оно приводится ниже.

Боковая пластина 218' содержит пару отверстий 272, которые допускают прохождение электрических проводов или выводов. На конце сердечника 218' имеется заостренная внешняя часть 274. Это заострение 274 способствует сопряженному зацеплению с другой боковой пластиной 216 с помощью посадки с натягом.

В одном предпочтительном выполнении и со ссылкой, в частности, на фиг.13, сердечник 212' и боковая пластина 218' сердечника имеют такие размеры и сконфигурированы так, что основной диаметр D₁₃₁ равен 5,240 см (2,063 дюйма), диаметр D₁₃₂ невидимого круга равен 2,845 см (1,120 дюйма), диаметр D₁₃₃ равен 2,46 см (0,969 дюйма), диаметр D₁₃₄ равен 2,82 см (0,111 дюйма), диаметр D₁₃₅ равен 1,78 см (0,070 дюйма), длина L₁₃₁ равна 11,2 мм (0,440 дюйма), длина L₁₃₂ равна 0,98 мм (0,385 дюйма). В других предпочтительных вариантах выполнения сердечник 212' и боковая пластина 218' сердечника могут иметь размеры и/или быть сконфигурированы альтернативными способами с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении и со ссылкой, в частности, на фиг.14, сердечник 212' и боковая пластина 218' сердечника имеют такие размеры и сконфигурированы так, что диаметр D₁₄₁ равен 4,801 см (1,890 дюйма), диаметр D₁₄₂ равен 2,461 см (0,969 дюйма), диаметр D₁₄₃ равен 1,728 см (0,6805 дюйма), диаметр D₁₄₄ равен 3,56 см (1,40 дюйма), диаметр D₁₄₅ равен 2,43 см (0,958 дюйма), диаметр D₁₄₆ равен 2,16 см (0,849 дюйма), ширина W₁₄₁ равна 5,59 мм (0,220 дюйма), ширина W₁₄₂ равна 0,508 мм (0,020 дюйма), ширина W₁₄₃ равна 1,27 мм (0,050 дюйма), ширина W₁₄₄ равна 2,52 мм (0,991 дюйма), угол θ₁₄₁ равен 135°, и заостренная часть 274 имеет длину 0,508 мм (0,02 дюйма) под углом 45°. В другом предпочтительном выполнении диаметр D₁₄₃ равен 1,91 см (0,750 дюйма). В других предпочтительных вариантах выполнения сердечник 212' и боковая пластина 218' сердечника могут иметь размеры и/или быть сконфигурированы альтернативными способами с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Внутренняя рейка

Фиг.15-17 показывают одно предпочтительно выполнение внутренней рейки 222 протезного коленного сустава 210. Внутренняя рейка 222 в общем случае предпочтительно цилиндрическая по форме и содержит практически центральную цилиндрическую полость или сквозное отверстие 276 для приема электромагнита или магнитной катушки 214 (фиг.4).

Альтернативно, другие пригодные формы для внутренней рейки 222 и полости 276 могут эффективно использоваться, как это необходимо или желательно.

Предпочтительно, внутренняя рейка 222 содержит множество разнесенных на приблизительно равные расстояния продольных сквозных отверстий 278, упорядоченных практически кольцевым образом, для приема стержней с резьбой на концах или болтов и т.п. для прикрепления выбранных составляющих протезного коленного сустава 210, таких как боковые пластины 216, 218 сердечника и внутренняя рейка 222. Эти отверстия 278 в общем случае выровнены в линию с соответствующими отверстиями 258 боковых пластин 216, 218 сердечника. В одном предпочтительном выполнении внутренняя рейка содержит пять отверстий 278. В другом предпочтительном выполнении внутренняя рейка 222 содержит три отверстия 278. Альтернативно, может быть предусмотрено больше или меньше отверстий 278, расположенных другими способами, как требуется или как желательно.

Внутренняя рейка 222 предпочтительно содержит кольцевую канавку 260 для приема уплотнительного кольца 282 (фиг.4) или прокладок и т.п. Это обеспечивает статическое уплотнение между внутренней рейкой 222 и боковыми пластинами 216, 218, поскольку эти составляющие вращаются одновременно в процессе вращения коленного сустава, и предотвращает утечку МР жидкости из коленного сустава 210. В альтернативном предпочтительном выполнении соответствующая канавка или выступ выполнены на внутренних поверхностях каждой или обеих боковых пластин 216, 218 для приема уплотнительных колец или им подобных и обеспечения статического уплотнения.

Уплотнительные кольца 282 изготавливаются из подходящего резинового материала, такого как, среди прочего, витон, тефлон и неопрен. В одном предпочтительном выполнении уплотнительные кольца 282 имеют внутренний диаметр 30,5 мм (1,201 дюйма) и ширину 0,76 мм (0,030 дюйма). В других предпочтительных вариантах выполнения статические уплотнения могут иметь размеры и/или быть сконфигурированы альтернативными способами с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения надежных уплотнений, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Внешняя поверхность внутренней рейки 222 предпочтительно имеет множество разнесенных примерно на равные расстояния продольных канавок 284, которые приспособлены для зацепления с соответствующими зубцами роторов 220. В одном предпочтительном выполнении канавки 284 в общем случае имеют форму полукольца. В других предпочтительных вариантах выполнения канавки 284 в общем случае имеют прямоугольную или квадратную форму с закругленными углами. В других предпочтительных вариантах выполнения канавки 284 могут быть эффективно сформированы и сконфигурированы альтернативными способами, как требуется или как желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения надежной передачи нагрузки от роторов 220 на внутреннюю рейку 222, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Внутренняя рейка 222 предпочтительно изготавливается из титана или титанового сплава, и более предпочтительно, из титанового сплава 6AI-4V. В качестве преимущества, использование титана или титановых сплавов обеспечивает близкую к нулю магнитную проницаемость и прочную твердую поверхность с низкой массой для зацепления с роторами и передачи от них момента. Дополнительная выгода заключается в том, что высокое удельное сопротивление материала (титана или титанового сплава) уменьшает потери энергии из-за наведенных вихревых токов. В других предпочтительных вариантах выполнения внутренняя рейка 222 может быть эффективно изготовлена, среди прочего, из других металлов, сплавов, пластиков, керамики, как требуется или как желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения внутренней рейки 222 с практически нулевой магнитной проницаемостью, и пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Предпочтительно, чтобы внутренняя рейка 222 изготавливалась механической обработкой. В других предпочтительных вариантах выполнения внутренняя рейка 222 может быть эффективно изготовлена по другим технологиям, например, среди прочего, литьем, ковкой, формовкой, прокаткой, как требуется или как желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении и со ссылкой, в частности, на фиг.15, внутренняя рейка 222 имеет такие размеры и сконфигурирована так, что основной диаметр D₁₅₁ невидимого круга равен 3,673 см (1,446 дюйма), диаметр D₁₅₂ равен 3,119 см (1,228 дюйма), диаметр D₁₅₃ невидимого круга равен 2,845 см (1,120 дюйма) и диаметр D₁₅₄ отверстия равен 2,49 мм (0,098 дюйма), диаметр D₁₅₅ кривизны канавки равен 3,18 мм (0,125 дюйма), угол θ₁₅₁ обычно равен 15°, и угол θ₁₅₂ обычно равен 7,5°. В других предпочтительных вариантах выполнения внутренняя рейка 222 может иметь размеры и быть сконфигурирована альтернативными способами с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении и со ссылкой, в частности, на фиг 16 и 17, внутренняя рейка 222 имеет такие размеры и сконфигурирована так, что основной диаметр D₁₆₁ равен 3,632 см (1,430 дюйма), диаметр D₁₆₂ равен 2,464 см (0,960 дюйма), длина L₁₆₃ равна 1,96 см (0,771 дюйма), глубина DT₁₇₁ равна 0,51 мм (0,020 дюйма), ширина W₁₇₁ равна 1,02 мм (0,040 дюйма) и радиус R₁₇₁ кривизны равен от 0,127 мм (0,005 дюйма) до 0,254 мм (0,010 дюйма). В других предпочтительных вариантах выполнения внутренняя рейка 222 может иметь размеры и быть сконфигурирована альтернативными способами с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Роторы и статоры

Фиг.18-19 показывают одно предпочтительное выполнение одного из роторов или внутренних лопастей 220 протезного коленного сустава 210. Роторы 220 вращаются вместе с вращением внутренней рейки 222. Предпочтительно кольцеобразный или в форме кольца тонкий ротор 220 в общем случае имеет кольцевую форму и содержит практически центральную полость или сквозное отверстие 286, имеющее множество выступающих внутрь зубцов 288, приспособленных зацепляться или сопрягаться с зубцами 284 внутренней рейки (фиг.15). Альтернативно, роторы 220 могут быть эффективно сформированы другими способами, как необходимо или желательно.

В одном предпочтительном выполнении зубцы 288 имеют в основном полукруглую форму. В другом предпочтительном выполнении зубцы 288 имеют прямоугольную или квадратную форму с закругленными углами. В других предпочтительных вариантах выполнения зубцы 288 могут быть эффективно сформированы и сконфигурированы альтернативными способами, как требуется или как желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения надежной передачи нагрузки от роторов 220 на внутреннюю рейку 222, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Роторы 220 предпочтительно изготавливаются из магнитно-мягкого материала или ему подобного, который является механически твердым, для усиления долговечности и минимизации износа. В одном предпочтительном выполнении роторы 220 изготавливаются из вороненой отпущенной стали. В другом предпочтительном выполнении роторы 220 изготавливаются из незернистой ориентированной кремнистой стали (электростали). В других предпочтительных вариантах выполнения роторы 220 могут быть изготовлены из альтернативных магнитно-мягких материалов или им подобных с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения долговечных роторов 220, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Предпочтительно роторы 220 изготавливаются из материала с умеренной - высокой магнитной проницаемостью, низкой или нулевой коэрцитивной силой и индукцией насыщения, превышающей индукцию магнитореологической жидкости 134 (фиг.3). В качестве преимущества, это допускает компактную, легкую конструкцию, требующую меньшего рассеивания энергии в электромагните 214.

В одном предпочтительном выполнении роторы 220 сформированы электроискровой обработкой (ЭИО). В качестве преимущества, это обеспечивает высокую степень точности изготовления и избегает или уменьшает любой зазор, колебание или шатание между роторами 220 и внутренней рейкой 222, что в противном случае может вызвать у пациента дискомфорт. В другом предпочтительном выполнении роторы 220 сформированы технологиями штамповки. В других предпочтительных вариантах выполнения роторы 220 могут быть изготовлены с использованием альтернативных технологий с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения естественного и/или безопасного передвижения для пациента, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении изобретения роторы 220 зафиксированы в поперечном направлении относительно внутренней рейки 222. То есть они не смещаются в направлении 242 (фиг.4) вдоль продольной оси 224 тормоза (фиг.4). Для этого выполнения роторы 220 могут быть прикреплены к внутренней рейке 222, среди прочих технологий, впрыскиванием смолы, клея или им подобных по зацеплениям с зубцами, посредством лазерной сварки роторов 220 с внутренней рейкой 222, горячей или термальной посадки роторов 220 на внутреннюю рейку 222, приклеиванием роторов 220 к внутренней рейке 222, или прижиманием роторов 220 к внутренней рейке 222. В качестве преимущества, это также устраняет или уменьшает любой зазор, колебание или шатание между роторами 220 и внутренней рейкой 222, что в противном случае может вызвать у пациента дискомфорт.

В одном предпочтительном выполнении и со ссылкой, в частности, на фиг.18-19, роторы 220 имеют такие размеры и сконфигурированы так, что основной диаметр D₁₈₁ равен 4,80 см (1,890 дюйма), диаметр D₁₈₂ невидимого круга равен 3,678 см (1,448 дюйма), диаметр D₁₈₃ равен 3,678 см (1,448 дюйма), радиус кривизны R₁₈₁ зубца обычно равен 1,57 мм (0,062 дюйма), угол θ₁₈₁ обычно равен 15°, и толщина T₁₉₁ ротора равна 0,203 мм (0,008 дюйма). В других предпочтительных вариантах выполнения роторы 220 могут иметь размеры и быть сконфигурированы альтернативными способами с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Фиг.20-21 показывают одно предпочтительное выполнение одного из статоров или внешних лопастей 230 протезного коленного сустава 210. Статоры 230 вращаются вместе с вращением внешней рейки 232. Предпочтительно кольцеобразный или в форме кольца тонкий ротор 230 в общем случае имеет кольцевую форму и содержит практически центральную полость или сквозное отверстие 290, приспособленное бесконтактно принимать внутреннюю рейку 222, и множество выступающих наружу зубцов 292 по внешней поверхности статора, приспособленных зацепляться или сопрягаться с канавками на внутренней поверхности внешней рейки 232. Альтернативно, статоры 230 могут быть эффективно сформированы другими способами, как необходимо или желательно.

В одном предпочтительном выполнении зубцы 292 имеют практически полукруглую форму. В другом предпочтительном выполнении зубцы 292 имеют прямоугольную или квадратную форму с закругленными углами. В других предпочтительных вариантах выполнения зубцы 292 могут быть эффективно сформированы и сконфигурированы альтернативными способами, как требуется или как желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения надежного зацепления между статорами 230 и внешней рейкой 232, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Статоры 230 предпочтительно изготавливаются из магнитно-мягкого материала или ему подобного, который является механически твердым, для усиления долговечности и минимизации износа. В одном предпочтительном выполнении статоры 230 изготавливаются из вороненой отпущенной стали. В другом предпочтительном выполнении статоры 230 изготавливаются из незернистой ориентированной кремнистой стали (электростали). В других предпочтительных вариантах выполнения статоры 230 могут быть изготовлены из альтернативных магнитно-мягких материалов или им подобных с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения долговечных статоров 230, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Предпочтительно статоры 230 изготавливаются из материала с умеренной - высокой магнитной проницаемостью, низкой или нулевой коэрцитивной силой и индукцией насыщения, превышающей индукцию магнитореологической жидкости 134 (фиг.3). В качестве преимущества, это обеспечивает компактную, легкую конструкцию, требующую меньшего рассеивания энергии в электромагните 214.

В одном предпочтительном выполнении статоры 230 сформированы электроискровой обработкой (ЭИО). В качестве преимущества, это обеспечивает высокую степень точности изготовления и избегает или уменьшает любой зазор, колебание или шатание между статорами 230 и внешней рейкой 232, что в противном случае может вызвать у пациента дискомфорт. В другом предпочтительном выполнении статоры 230 сформированы технологиями штамповки. В других предпочтительных вариантах выполнения статоры 230 могут быть изготовлены с использованием альтернативных технологий с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения естественного и/или безопасного передвижения для пациента, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении изобретения статоры 230 зафиксированы в поперечном направлении относительно внешней рейки 232. То есть они не смещаются в направлении 242 (фиг.4) вдоль продольной оси 224 тормоза (фиг.4). Для этого выполнения статоры 230 могут быть прикреплены к внешней рейке 232, среди прочих технологий, впрыскиванием смолы, клея или им подобных по зацеплениям с зубцами, лазерной сваркой статоров 230 с внешней рейкой 232, горячей или термальной посадкой статоров 230 на внешнюю рейку 232, приклеиванием статоров 230 к внешней рейке 232, или прижиманием статоров 230 к внешней рейке 232. В качестве преимущества, это также устраняет или уменьшает любой зазор, колебание или шатание между статорами 230 и внутренней рейкой 232, что в противном случае может вызвать у пациента дискомфорт.

В одном предпочтительном выполнении и со ссылкой, в частности, на фиг.20-21, статоры 230 имеют такие размеры и сконфигурированы так, что диаметр D₂₀₂ равен 4,811 см (1,894 дюйма), диаметр D₂₀₂ невидимого круга равен 4,811 см (1,894 дюйма), диаметр D₂₀₃ равен 3,683 см (1,450 дюйма), диаметр кривизны D₂₀₄ зубца обычно равен 0,318 мм (0,125 дюйма), угол θ₂₀₁ обычно равен 15°, и толщина Т₂₁₁ статора равна 0,203 мм (0,008 дюйма). В других предпочтительных вариантах выполнения статоры 230 могут иметь размеры и быть сконфигурированы альтернативными способами с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении роторы 220 и/или статоры 230 могут скользить или перемещаться в поперечном направлении 242 (фиг.4) по продольной оси 224 коленного сустава или тормоза (фиг.4). Таким образом, когда магнитное поле проходит через стопу роторов 220 и статоров 230 в направлении, практически перпендикулярном поверхности каждого ротора и статора, в ответ на приложенное поле вырабатывается как фрикционная амортизация, так и МР амортизация. Фрикционная амортизация является результатом трения или механического контакта поверхностей роторов с поверхностями соседних статоров. Фрикционная амортизация увеличивается при увеличении силы поля, поскольку намагниченные роторы 220 и статоры 230 притягивают друг друга и увеличивают нормальное усилие (в направлении продольной оси 224) между соседними роторами 220 и статорами 230. Это создает "гибридный" механизм магнитореологического (вязкого) и фрикционного амортизирующего тормоза, в протезном колене 210 по настоящему изобретению.

В одном предпочтительном выполнении фрикционная составляющая ротор-статор вносит 10% или менее в общий момент коленного сустава. В других предпочтительных вариантах выполнения фрикционная составляющая может эффективно вносить больше или меньше в общий момент коленного сустава, как требуется или как желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения широкого диапазона динамического момента, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении тормоз протезного коленного сустава по настоящему изобретению сконфигурирован так, что одна или обе боковые пластины 216 и 218 сердечника могут скользить или перемещаться в поперечном направлении 242 по продольной оси 224 коленного сустава или тормоза, а следовательно, может вносить вклад во фрикционную амортизацию. Предпочтительно каждая боковая пластина 216 или 218 сердечника создает фрикционную составляющую, которая вносит 20% или менее в общий момент коленного сустава. В других предпочтительных вариантах выполнения фрикционная составляющая может эффективно вносить больше или меньше в общий момент коленного сустава, как требуется или как желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения широкого диапазона динамического момента, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении роторы 220 и статоры 230 в поперечном направлении (в направлении 242) прочно зафиксированы или прикреплены в положение относительно планок 222 и 232, а следовательно, тормозящий эффект в основном чисто магнитореологический. Следовательно, когда сила магнитного поля увеличивается, нормальное усилие между поверхностями соседних роторов и статоров остается нулевым или практически нулевым, а фрикционная амортизация не вносит ничего в общий момент коленного сустава. В качестве преимущества, это улучшает ресурс выносливости тормоза, тогда как вероятный износ от трения устраняется или уменьшается.

Альтернативно, некоторые роторы 220 и/или 230 могут быть зафиксированы в поперечном направлении, тогда как другие могут перемещаться в поперечном направлении, как требуется или как желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения в основном естественного ощущения и/или безопасного протезного устройства, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении протезный коленный сустав 210 по настоящему изобретению содержит 40 роторов 220 и 41 статор 230, разнесенные в чередующемся порядке. Это выражается в 40 поверхностях контакта с потоком или промежутках жидкости, в которых остается магнитореологическая (МР) жидкость. В другом предпочтительном выполнении число роторов 220 равно от 10 до 100, количество статоров 230 равно от 11 до 101, так что количество поверхностей контакта МР жидкости с роторами, которые производят торможение в присутствии магнитного поля, вдвое больше количества роторов. В другом предпочтительном выполнении количество роторов находится в диапазоне от 1 до 100, еще в одном предпочтительном выполнении количество статоров 230 находится в диапазоне от 1 до 100. В других предпочтительных вариантах выполнения количество роторов 220, статоров 230 и поверхностей контакта с потоком может быть выбрано альтернативно, как необходимо или желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения широкого диапазона динамического момента, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В качестве преимущества, вызванный предел текучести или вязкий момент пропорционален области перекрытия между парой ротор-статор, вдвое большей, чем количество роторов (то есть количество поверхностей контакта МР жидкости с роторами, которые производят тормозящий момент при наличии магнитного поля). Это желательно позволяет вязкому моменту или пределу текучести увеличиваться или уменьшаться путем выбора или предварительного задания количества роторов 220 и/или статоров 230 и/или перекрывающих или сопряженных поверхностных областей между соседними роторами 220 и/или статорами 230. Другое преимущество заключается в том, что это позволяет управлять по всему размеру, который является радиальным размером и поперечным размером протезного коленного сустава 210, приводимого в действие магнитореологически. Например, общая конфигурация коленного сустава может быть выполнена больше в радиальном направлении и тоньше в поперечном, обеспечивая при этом тот же диапазон вязкого момента путем должного выбора количества поверхностей контакта с потоком и области перекрытия совместно используемых поверхностей.

Желательно минимизировать промежуток МР жидкости между соседними роторами 220 и статорами 230, поскольку энергия, необходимая для насыщения всего промежутка МР жидкости, является строгой функцией размера промежутка. Таким образом, в качестве преимущества, меньшие размеры промежутка делают тормоз 210, приводимый в действие магнитореологически, более эффективным и уменьшает потребление энергии.

Предпочтительно размер промежутка МР жидкости также выбирается таким, что при отсутствии приложенного магнитного поля только сила вязкой амортизации или составляющая момента присутствуют от сдвига МР жидкости между поверхностями соседних ротора и статора. Таким образом, в условиях отсутствия поля между роторами 220 и статорами 230 составляющая фрикционного момента отсутствует.

Соответственно, в одном предпочтительном выполнении, энергия, требуемая для насыщения МР жидкости, уменьшается, и динамический диапазон коленного сустава увеличивается путем минимизации размера промежутков МР жидкости. В этом выполнении промежуток не уменьшается настолько, чтобы в условиях отсутствия поля между поверхностями соседних ротора и статора происходило нормальное усилие, вызывая фрикционное скольжение. Отсутствие трения между роторами и статорами дает возможность коленному суставу раскачиваться свободно, тем самым обеспечивая более широкий динамический диапазон. Следует отметить, что вязкая амортизация при отсутствии поля не увеличивается сильно при уменьшении промежутка жидкости, поскольку МР жидкость проявляет свойство, известное как утончение от степени сдвига, где вязкость жидкости уменьшается с увеличением степени сдвига.

В одном предпочтительном выполнении размер или ширина промежутка МР жидкости между соседними роторами 220 и статорами 230 равна 40 микрон (мкм) или менее. В другом предпочтительном выполнении размер или ширина промежутка МР жидкости между соседними роторами 220 и статорами 230 находится в диапазоне от 10 мкм до 100 мкм. В других предпочтительных вариантах выполнения размер промежутка МР жидкости может меняться чередующимся образом и/или конфигурироваться с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения энергоэффективного протезного коленного сустава 210, имеющего широкий диапазон динамического момента, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении протезный коленный сустав по изобретению содержит единственный статор или лопасть 230, соединенные с внешней рейкой 232, и ни одного ротора или лопасти 220. Таким образом, между лопастью 230 и боковыми пластинами 216, 218 сердечника создаются два промежутка МР жидкости. Предпочтительно, размер промежутков МР жидкости минимизирован, как обсуждено выше.

В соответствии с другим предпочтительным выполнением настоящего изобретения, роторы и статоры, имеющие форму диска или лопасти, заменены трубчатыми роторами и статорами. Трубчатые роторы и статоры предпочтительно содержат множество тонких железистых (или магнитно-мягких) практически цилиндрических трубок, расположенных концентрически, вращающихся чередующимся образом и закрепленных. Промежутки между трубками содержат магнитореологическую жидкость, которая сдвигается при вращении коленного сустава. Магнитный поток, приводящий МР жидкость в действие, проходит в радиальном направлении наружу. Магнитный возвратный контур замыкается трубчатым внешним железистым (или магнитно-мягким) корпусом и расположенным по оси центральным сердечником. Вязкий момент, выработанный таким устройством, является суммой вязких моментов, выработанных в каждой паре трубчатых роторов и статоров. Для минимизации веса, объема и потребления энергии, предпочтительно, трубчатые роторы и статоры выполнены настолько тонкими, насколько возможно, в рамках первоначальных ограничений нагрузки сдвига магнитореологической жидкости и стоимости изготовления. Опционально, один или более трубчатых роторов и/или статоров могут перемещаться в радиальном направлении для обеспечения фрикционной составляющей общего момента коленного сустава.

Магнитореологическая жидкость

Как упомянуто выше, магнитореологическая жидкость предпочтительно содержит множество железных, железистых или магнитных частиц, находящихся в жидкости в состоянии взвеси. Эти взвешенные частицы формируют цепи, производящие момент, в ответ на приложенное магнитное поле. Таким образом, магнитореологическая (МР) жидкость подвергается реологическому изменению или изменению вязкости, либо изменению, которое зависит от величины приложенного магнитного поля. В свою очередь, это изменение в объемной вязкости жидкости определяет величину выработанного усилия/напряжения сдвига или момента, а следовательно, и уровня амортизации или торможения, обеспеченного протезным коленом 210. Обычно объемная вязкость МР жидкости увеличивается при увеличении силы приложенного поля. Путем управления величиной этого магнитного поля вращательное движение искусственной конечности быстро и точно регулируется и/или управляется, например, для управления сгибанием и выпрямлением в течение фаз стояния и ходьбы для обеспечения более естественного и безопасного передвижения для человека без ноги.

Магнитореологическая жидкость, используемая в протезном колене предпочтительных вариантов выполнения настоящего изобретения, может содержать любую из коммерчески доступных или известных МР жидкостей или магнитно управляемых сред. Предпочтительно, МР жидкость обладает высокой пропускной способностью магнитного потока и низким магнитным сопротивлением и низкой вязкостью, имея при этом большое магнитное поле, вызывающее усилие сдвига, так что, в качестве преимущества, протезный коленный сустав по изобретению обеспечивает широкий диапазон динамического момента.

МР жидкость между поверхностями ротор-статор предпочтительно содержит несущую жидкость с поляризуемыми железистыми или железными частицами, имеющими размер порядка одного или нескольких микронов. В идеале несущая жидкость проявляет поведение утончения от степени сдвига, где вязкость несущей жидкости уменьшается при увеличении степени сдвига. Это, в качестве преимущества, минимизирует вязкий момент из-за сдвига МР жидкости в каждой паре ротор-статор при условиях отсутствия поля (то есть когда на электромагнит не подается питание) и, следовательно, допускает больший рабочий диапазон момента. Пригодные кандидаты для несущей жидкости включают в себя силиконовое масло, углеводородное масло и, среди прочих, жидкости на водной основе.

Внешняя рейка и монтажные вилки

Фиг.22-25 показывают одно предпочтительное выполнение внешней рейки 232 протезного коленного сустава 210. Внешняя рейка 232 предпочтительно имеет практически цилиндрическую форму и содержит практически центральную цилиндрическую полость или сквозное отверстие 284 для приема статоров 230, боковые пластины 216, 218 сердечника и подшипники 226, 228. Альтернативно, другие пригодные формы внешней рейки 232 и полости 294 могут быть эффективно использованы, как необходимо или желательно.

Центральная поверхность полости 294 предпочтительно имеет множество разнесенных примерно на равные расстояния продольных канавок 296, которые приспособлены зацепляться с соответствующими зубцами 292 статоров 230. В одном предпочтительном выполнении канавки 296 предпочтительно полукольцевые по форме. В другом предпочтительном выполнении канавки 296 имеют практически прямоугольную или квадратную форму с закругленными углами. В других предпочтительных вариантах выполнения канавки 296 могут быть эффективно сформированы и/или сконфигурированы альтернативными способами, как требуется или как желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения зацепления между статорами 230 и внешней рейкой 232, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Полость 294 внешней рейки может иметь пару практически кольцевых буртиков или ступенек 298 по одной на каждой стороне канавок 296 для выравнивания и размещения соответствующих боковых пластин 216, 218 сердечника. В одном предпочтительном выполнении две практически кольцевые канавки предусмотрены внутри полости 294 для приема уплотнительных колец или им подобных и обеспечения динамического уплотнения между способной вращаться боковой рейкой 232 и способными вращаться боковыми пластинами 216, 218. Полость 294 внешней рейки предпочтительно далее включает в себя пару практически кольцевых буртиков или ступенек 300 по одной на каждой стороне соответствующих буртиков 298 для выравнивания и размещения соответствующих подшипников 226, 228.

В одном предпочтительном выполнении внешняя рейка 232 включает в себя пирамидальный штырь или соединитель 302 на своем верхнем торце 304 для облегчения соединения протезного коленного сустава 210 с углублением для культи или оставшейся конечности человека без ноги. Пирамидальный соединитель 304 предпочтительно обеспечивает практически не способное вращаться соединение между углублением для культи или оставшейся конечности и внешней рейкой 232, а следовательно, и статорами 230. Альтернативно, другие пригодные соединители или детали могут быть эффективно использованы, как требуется или как желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения надежного соединения между протезным коленом 210 и оставшейся конечностью человека без ноги, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении пирамидальный штырь 302 содержит титан или титановый сплав, а оставшаяся часть внешней рейки 232 содержит анодированный алюминиевый сплав 7075-Т6. В качестве преимущества, поверхность твердого анодированного алюминиевого сплава защищает поверхности канавок 296 внешней рейки от разрушения поверхности и, следовательно, устраняет или уменьшает любой зазор, колебание или шатание. В другом предпочтительном выполнении внешняя рейка 232 изготавливается из титана или титанового сплава. Еще в одном предпочтительном выполнении внешняя рейка 232 изготавливается из анодированного алюминиевого сплава 7075-Т6. В других предпочтительных вариантах выполнения внешняя рейка 232 может быть эффективно изготовлена, среди прочих, из других металлов, пластиков, керамики, как требуется или как желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодной прочной, долговечной, легкой по весу и/или в основном немагнитной внешней рейки 232, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Предпочтительно, чтобы внешняя рейка 232 формировалась механической обработкой. В одном предпочтительном выполнении титан или титановый блок вкручивается на резьбу в полость с резьбой верхнего торца внешней рейки 232, прикрепляется с помощью Locktite и обрабатывается механически для формирования пирамидального штыря 302, тем самым обеспечивая должное непосредственное соседство пирамидального штыря 302. В других предпочтительных вариантах выполнения внешняя рейка 232 может эффективно изготавливаться другими технологиями, например, среди прочего, литьем, ковкой, формовкой, как требуется или как желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении и со ссылкой, в частности, на фиг.23, внешняя рейка 232 имеет такие размеры и сконфигурирована так, что основной диаметр D₂₃₁ равен 5,994 см (2,360 дюйма), диаметр D₂₃₂ равен 4,813 см (1,895 дюйма), диаметр D₂₃₃ невидимого круга равен 4,811 см (1,894 дюйма), диаметр D₂₃₄ изогнутости канавки равен 3,20 мм (0,126 дюйма), длина L₂₃₁ равна 8,0 мм (0,315 дюйма), угол θ₂₃₁ равен 33,7°, угол θ₂₃₂ равен 15°, угол θ₂₃₃ равен 15°, радиус R₂₃₁ кривизны равен 2,40 см (0,945 дюйма), радиус R₂₃₂ кривизны равен 0,762 мм (0,030 дюйма), В других предпочтительных вариантах выполнения внутренняя рейка 232 может иметь размеры и/или быть сконфигурирована альтернативными способами с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении и со ссылками, в частности, на фиг.24-25, внешняя рейка 232 имеет такие размеры и сконфигурирована так, что диаметр D₂₄₁ равен 4,00 см (1,575 дюйма), диаметр D₂₅₁ равен 5,715 см (2,250 дюйма), диаметр D₂₅₃ равен 5,398 см (2,125 дюйма), длина L₂₅₁ равна 7,861 см (3,095 дюйма), длина L₂₅₂ равна 1,067 см (0,420 дюйма), ширина W₂₅₁ равна 4,171 см (1,642 дюйма), ширина W₂₅₂ равна 1,958 см (0,771 дюйма), ширина W₂₅₃ равна 6,35 мм (0,250 дюйма), ширина W₂₅₄ равна 4,72 мм (0,186 дюйма), и радиус R₂₅₁ кривизны равен 3,05 мм (0,120 дюйма). В других предпочтительных вариантах выполнения внутренняя рейка 232 может иметь размеры и/или быть сконфигурирована альтернативными способами с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Монтажные вилки 236, 238 (фиг.4) протезного коленного сустава 210, приводимого в действие магнитореологически, предпочтительно находятся в механическом соединении с подшипниками 236, 238 соответственно и передают вращательное движение опорной или искусственной голенной части человека без ноги. Штыри 306 с резьбой или другие пригодные соединители или крепежи используются для облегчения присоединения монтажных вилок 236, 238 к опорной или искусственной голенной части человека без ноги.

Предпочтительно, монтажные вилки 236, 238 изготавливаются из анодированного алюминиевого сплава 7075-Т6. В других предпочтительных вариантах выполнения монтажные вилки 226, 228 могут быть эффективно изготовлены, среди прочего, из других металлов, сплавов, пластиков, керамики, как требуется или как желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодных, прочных, легких по весу и/или долговечных в основном немагнитных монтажных вилок 226, 228, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении монтажные вилки 236, 238 формируются механической обработкой. В других предпочтительных вариантах выполнения монтажные вилки 236, 238 могут эффективно изготавливаться другими технологиями, например, среди прочего, литьем, ковкой, формовкой, как требуется или как желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении и как показано на фиг.4, протезный коленный сустав далее содержит систему или узел остановки сгибания, содержащую узел или систему 246 мягкой остановки или ограничения. Система остановки сгибания управляет максимально допустимым углом сгибания путем физического ограничения вращения между внешними боковыми вилками 236, 238 и внешней рейкой 232, а следовательно, и вращения коленного сустава.

Система 246 остановки (фиг.4) в общем случае содержит множество стопоров, полос или лент 312, 314 и 316. Полосы 312 и 314 прикреплены к помещенной под углом внешней поверхности 308 (см. фиг.23) внешней рейки 232 с помощью винтов или тому подобного. Полоса 316 прикреплена к помещенным под углом внешним поверхностям 333, 334 боковых вилок 236, 238 соответственно с помощью винтов или тому подобного.

Протезный коленный сустав 210 предпочтительно сконфигурирован так, что заданный заранее максимальный угол сгибания и полоса 316 контактируют или останавливаются полосой 314 и предотвращают или ограничивают дальнейшее вращение коленного сустава. Предпочтительно, полоса 314 содержит упругий материал для обеспечения амортизации, смягчения и/или эффекта рассеивания. Аналогично, протезный коленный сустав по предпочтительным вариантам выполнения может содержать амортизационный стопор выпрямления, как необходимо или желательно.

В одном предпочтительном выполнении система остановки сгибания по настоящему изобретению сконфигурирована так, чтобы допускать максимальный угол сгибания 140°. В другом предпочтительном выполнении система остановки сгибания по настоящему изобретению сконфигурирована так, чтобы допускать максимальный угол сгибания в диапазоне от 125° до 150°. В других предпочтительных вариантах выполнения максимальный угол сгибания может эффективно меняться, как необходимо или желательно, в зависимости, среди прочих факторов, от окружающих условий, деятельности и уровня активности.

В одном предпочтительном выполнении стопор 314 изготавливается из резины, а стопоры 312, 316 изготавливаются из титана или титанового сплава. В других предпочтительных вариантах выполнения стопоры 312, 314, 316 могут быть эффективно изготовлены из других материалов, как требуется или как желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, прочного, долговечного, легкого по весу и/или мягкого стопора сгибания, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении стопоры 312, 314, 316 имеют основную длину 6,00 см (2,363 дюйма) и основную ширину 5,99 мм (0,236 дюйма). В других предпочтительных вариантах выполнения стопоры 312, 314, 316 могут иметь размеры и/или быть сконфигурированы альтернативными способами с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении протезный коленный сустав 210 содержит измеряющий углы потенциометр 322 (фиг.4). Потенциометр 322 соединен с кронштейном 324 и крепежной пластиной 326. Крепежная пластина 326 соединена с вилкой 238 с использованием винтов 328 или тому подобного и шайб 330. Конец 332 кронштейна 324 механически соединен с помещенной под углом внешней поверхностью 334 вилки 238 с использованием пригодных винтов или тому подобного.

В одном предпочтительном выполнении настоящего изобретения протезный коленный сустав 210 далее содержит механизм помощи выпрямлению, чтобы помогать выпрямлению ноги путем принуждения или влияния на ногу, чтобы она выпрямлялась, применяя управляемый момент или усилие. Любое из множества устройств, такое как пружинный механизм помощи выпрямлению, известный из уровня техники, может быть использован в настоящем изобретении.

Предпочтительно, система управления с обратной связью предусмотрена для управления и наблюдения за действиями протезного коленного сустава, приводимого в действие магнитореологически, по предпочтительным вариантам выполнения настоящего изобретения. Система управления в общем случае содержит центральный контроллер или микропроцессор и запоминающее устройство, один или более датчиков усилий, момента и углов, источник питания (такой как аккумулятор или тому подобное) и другое связанное с ним аппаратное и программное обеспечение.

Внешний корпус или оболочка предпочтительно предусмотрена для укрывания и/или защиты различных составляющих протезного коленного сустава по предпочтительным вариантам выполнения и системы управления. Пригодное косметическое покрытие также предпочтительно предусмотрено на внешнем корпусе.

Некоторые опциональные характеристики и преимущества

Управляемый электроникой протезный коленный сустав, приводимый в действие магнитореологически, по предпочтительным вариантам выполнения обеспечивает высокоскоростное постоянное чувствительное управление движением коленного сустава, надежным и допустимым для человека без ноги. В качестве преимущества, предпочтительные варианты выполнения обеспечивают улучшенную стабильность, баланс походки и энергетическую эффективность для людей без ноги и стимулируют и/или практически восстанавливают динамику естественного коленного сустава.

При работе электромагнит или магнитная катушка 214 приводится в действие, как необходимо, выбранным или заранее заданным сигналом, напряжением или током, для выработки активного переменного магнитного поля, проходящего практически перпендикулярно множеству поверхностей роторов и статоров и через МР жидкость или пленку между соседними роторами 220 и статорами 230 для выработки изменяющегося амортизирующего момента (или вращательного резистивного усилия), который точно и тщательно управляет вращательным движением протезного коленного сустава 210. Как обсуждено выше, в соответствии с одним предпочтительным выполнением этот момент содержит фрикционную амортизирующую составляющую.

Желательно, чтобы протезный коленный сустав 210, приводимый в действие магнитореологически, по предпочтительным вариантам выполнения обеспечивал быструю и точную реакцию. Материалы в МР частицах реагируют на приложенное магнитное поле за миллисекунды, тем самым обеспечивая управление в реальном времени реологией жидкости и движением коленного сустава. Это облегчает обеспечение пациенту возможности перемещаться безопасным и/или более естественным образом.

В качестве преимущества, вязкий амортизирующий момент вырабатывается путем сдвига МР жидкости. Следовательно, практически нет наращивания или изменения давления жидкости, либо оно совсем незначительно, в протезном колене 210, приводимом в действие магнитореологически, по настоящему изобретению. Это значительно устраняет или уменьшает шансы утечки жидкости и повреждения коленного сустава и, следовательно, желательно добавляет безопасности. Более того, нет необходимости использовать дорогие и/или сравнительно сложные компоненты, такие как подшипники давления и им подобные, для обеспечения надежного уплотнения.

Другое преимущество заключается в том, что множество сдвигающих поверхностей или поверхностей контакта с потоком между соседними роторами 220 и статорами 230 ведут себя как умножитель момента и позволяют уровню вязкого момента (и/или фрикционному моменту) увеличиваться до желаемого максимального значения без использования дополнительной передачи и других вспомогательных составляющих. Более того, гибкость в выборе области поверхности перекрытия между соседними роторами 220 и статорами 230 также может увеличивать или уменьшать максимальный достижимый вязкий момент (и/или фрикционный момент). Таким образом, могут быть обеспечены желательные широкий динамический момент или диапазон сопротивления скручиванию, как необходимо или желательно, что добавляет универсальности изобретению без существенных добавлений в размере системы, ее весе и сложности.

В одном предпочтительном выполнении протезный коленный сустав по настоящему изобретению обеспечивает максимальный динамический момент, равный 40 Н·м (Ньютон·метр). В другом предпочтительном выполнении протезный коленный сустав по настоящему изобретению обеспечивает динамический момент в диапазоне от 0,5 Н·м до 40 Н·м. Еще в одном предпочтительном выполнении протезный коленный сустав по настоящему изобретению обеспечивает динамический момент в диапазоне от 1 Н·м до 50 Н·м. В других предпочтительных вариантах выполнения протезный коленный сустав по настоящему изобретению может обеспечить другие диапазоны динамического момента с необходимой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении протезный коленный сустав по настоящему изобретению точно управляет вращением коленного сустава в течение фаз выпрямления и сгибания, с углом между полным выпрямлением и сгибанием, равным 140°. В другом предпочтительном выполнении протезный коленный сустав по настоящему изобретению точно управляет вращением коленного сустава в течение фаз выпрямления и сгибания, с углом между полным выпрямлением и сгибанием, находящимся в диапазоне от 125° до 150°. В других предпочтительных вариантах выполнения протезный коленный сустав по настоящему изобретению может обеспечить другие диапазоны вращения коленного сустава с необходимой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Также является преимуществом, что оптимальная толщина промежутка МР жидкости между соседними роторами 220 и статорами 230 обеспечивает более высокий максимальный момент и требует меньшего потребления энергии, предпочтительно 10 Вт или меньше. Это добавляет эффективности и практичности протезному колену 210, приводимому в действие магнитореологически, по настоящему изобретению, и также экономит стоимость, так как могут использоваться более низкое напряжение и/или менее сложный источник питания.

Другие предпочтительные варианты выполнения

Фиг.26-51 показывают несколько предпочтительных вариантов выполнения, имеющих характеристики и преимущества в соответствии с настоящим изобретением. В целях ясности и краткости описания ниже обсуждаются только некоторые характеристики этих вариантов выполнения, и должно быть понятно, что другие характеристики очевидны из чертежей и/или воплощены в описании предпочтительных вариантов выполнения, как изложено выше.

Фиг.26-28 показывают одно предпочтительное выполнение практически центрального сердечника 412 протезного коленного сустава, приводимого в действие магнитореологически. Сердечник 412 предпочтительно содержит наклонную или заостренную поверхность 336 и буртик или ступеньку 338 на соответствующих частях 452, 454 сердечника, чтобы облегчить сопряженное зацепление или механическое соединение со связанными с ними боковыми пластинами 416, 418 сердечника (показаны на фиг.29-36). Таким образом, сердечник 412 вращается, когда вращаются боковые пластины 416, 418.

Предпочтительно, сердечник 412 содержит сплав железо-кобальт (FeCo) с высоким магнитным насыщением. В одном предпочтительном выполнении сердечник 412 содержит сплав железо-кобальт с высоким магнитным насыщением (ASTM А-801, сплав типа 1), который определяет состав с 50-процентным содержанием кобальта. Например, сердечник 412 может содержать сплав Hiperco 50^®, Permendur V™ или Vanadium Pemendur, доступные от фирмы Principal Metals, либо сплав Vacoflux 50, доступный от фирмы Vacuumschmelze, г.Ханау, Германия.

Сердечник 412 предпочтительно сформирован механической обработкой с последующей тепловой обработкой в сухой водородной атмосфере для достижения оптимальных магнитных характеристик. Сердечник 412 прокаливается в сухой водородной атмосфере предпочтительно 5 часов при температуре 820°С. Сердечник 412 затем охлаждается в сухой водородной атмосфере по 150°С в час до тех пор, пока не будет достигнута температура 200°С. Предпринимаются все усилия, чтобы избежать загрязнения при тепловой обработке, и любая смазка, масло, отпечатки пальцев и т.п. удаляются ацетоном или другими пригодными чистящими растворами. При тепловой обработке сердечник 412 предпочтительно отделяется от боковых пластин 416, 418 сердечника, чтобы избежать любых возможных сварных швов между компонентами.

В одном предпочтительном выполнении и со ссылкой, в частности, на фиг.27 и 28, сердечник 412 имеет такие размеры и сконфигурирован так, что длина L₂₇₁ равна 2,517 см (0,991 дюйма), длина L₂₇₂ равна 5,56 мм (0,220 дюйма), длина L₂₇₃ равна 0,51 мм (0,020 дюйма), длина L₂₇₄ равна 0,51 см (0,020 дюйма), диаметр D₂₇₁ равен 1,424 см (0,5605 дюйма), диаметр D₂₇₂ равен 1,415 см (0,557 дюйма), угол θ₂₇₁ равен 10° и диаметр D₂₈₁ равен 1,88 см (0,740 дюйма). В других предпочтительных вариантах выполнения сердечник 412 может иметь размеры и/или быть сконфигурирован альтернативными способами с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Фиг.29-33 показывают одно предпочтительное выполнение боковой пластины 416 сердечника протезного коленного сустава, приводимого в действие магнитореологически, по настоящему изобретению. Боковая пластина 416 сердечника предпочтительно содержит практически центральную полость или сквозное отверстие 456, приспособленные для сопряженного формирования посадки с натягом с концом части 452 сердечника (фиг.26-28), и три разнесенных на примерно равные расстояния сквозных отверстия 458, расположенных практически кольцевым образом, для приема болтов или им подобных для прикрепления различных составляющих протезного коленного сустава. Боковая пластина 416 сердечника далее содержит практически кольцевую канавку или углубление 356, приспособленные зацепляться или механически соединяться с выступом электромагнита 414 (фиг.37-39). Таким образом, электромагнит или магнитная катушка 414 вращается, когда вращается боковая пластина 416 сердечника.

Предпочтительно, заострения или заостренные поверхности 470, 471 предусмотрены на соответствующих внешней и внутренней поверхностях боковой пластины 416 сердечника. В качестве преимущества, это уменьшает вес, экономит материал, а также обеспечивает зазор для облегчения сборки. Способная вращаться боковая пластина 416 сердечника формирует динамическое уплотнение со способной вращаться внешней рейкой, использующей уплотнительное кольцо или ему подобное, предусмотренное внутри канавки или выступа внешней рейки.

Предпочтительно боковая пластина 416 сердечника содержит сплав железо-кобальт (FeCo) с высоким магнитным насыщением. В одном предпочтительном выполнении боковая пластина 416 сердечника содержит сплав железо-кобальт с высоким магнитным насыщением (ASTM А-801, сплав типа 1), который определяет состав с 50-процентным содержанием кобальта. Например, сердечник 212 может содержать сплав Hiperco 50^®, Permendur V™ или Vanadium Pemendur, доступные от фирмы Principal Metals, либо сплав Vacoflux 50, доступный от фирмы Vacuumschmelze, г.Ханау, Германия.

Боковая пластина 416 сердечника предпочтительно сформирована механической обработкой с последующей тепловой обработкой в сухой водородной атмосфере для достижения оптимальных магнитных характеристик. Боковая пластина 416 сердечника прокаливается в сухой водородной атмосфере предпочтительно 4 часа при температуре 820°С. Боковая пластина 416 сердечника затем охлаждается в сухой водородной атмосфере по 150°С в час до тех пор, пока не будет достигнута температура 200° С. Предпринимаются все усилия, чтобы избежать загрязнения при тепловой обработке, и любая смазка, масло, отпечатки пальцев и т.п. удаляются ацетоном или другими пригодными чистящими растворами. При тепловой обработке боковая пластина 416 сердечника предпочтительно отделяется от сердечника 412, чтобы избежать любых возможных сварных швов между компонентами.

В любом предпочтительном выполнении и со ссылкой, в частности, на фиг.30-33, боковая пластина 416 сердечника имеет такие размеры и сконфигурирована так, что диаметр D₃₀₁ равен 3,353 см (1,320 дюйма), диаметр D₃₀₂ равен 2,461 см (0,969 дюйма), диаметр D₃₁₁ невидимого круга равен 2,845 см (1,120 дюйма), диаметр D₃₁₂ равен 2,43 см (0,958 дюйма), диаметр D₃₁₃ равен 2,29 см (0,900 дюйма), диаметр D₃₁₄ отверстия равен 2,95 мм (0,116 дюйма), угол θ₃₁₁ обычно равен 120°, диаметр D₃₂₁ равен 4,80 см (1,890 дюйма), диаметр D₃₂₂ равен 3,30 см (1,300 дюйма), диаметр D₃₂₃ равен 1,88 см (0,740 дюйма), ширина W₃₂₁ равна 5,59 мм (0,220 дюйма), ширина W₃₂₂ равна 1,27 мм (0,050 дюйма), ширина W₃₃₁ равна 2,54 мм (0,100 дюйма), ширина W₃₃₂ равна 0,508 мм (0,020 дюйма), ширина W₃₃₃ равна 1,52 мм (0,060 дюйма), радиус R₃₃₂ кривизны равен 0,254 мм (0,010 дюйма), угол θ₃₃₁ равен 30° и угол θ₃₃₂ равен 10°. В других предпочтительных вариантах выполнения боковая пластина 416 сердечника может иметь размеры и/или быть сконфигурирована альтернативными способами с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Фиг.34-36 показывают одно предпочтительное выполнение второй боковой пластины 418 сердечника протезного коленного сустава, приводимого в действие магнитореологически, по настоящему изобретению. Боковая пластина 418 сердечника практически такая же, как и первая боковая пластина 416 сердечника, за исключением того, что она предпочтительно содержит практически центральную полость или сквозное отверстие 457, приспособленную для сопряженного формирования посадки с натягом с концом части 454 сердечника (фиг.26-28), и пару разнесенных на примерно равные расстояния сквозных отверстия 472, которые допускают прохождение электрических проводов или выводов, соединенных с электромагнитом или магнитной катушкой 414 (фиг.37-39) протезного коленного сустава по настоящему изобретению.

В одном предпочтительном выполнении и со ссылкой, в частности, на фиг.35 и 36, боковая пластина 418 сердечника имеет такие размеры и сконфигурирована так, что длина L₃₅₁ равна 1,14 см (0,448 дюйма), длина L₃₅₂ равна 1,05 см (0,413 дюйма), диаметр D₃₅₅ отверстия равен 1,78 мм (0,070 дюйма), и диаметр D₃₆₃ равен 1,42 см (0,560 дюйма). Остальные размеры D₃₅₁, D₃₅₂, D₃₅₃, D₃₅₄, е₃₅₁, D₃₆₁, D₃₆₂, W₃₆₁ и W₃₆₂ практически такие же, как и размеры D₃₁₁, D₃₁₂, D₃₁₃, D₃₁₄, е₃₁₁, D₃₂₁, D₃₂₂, W₃₂₁ и W₃₂₂ соответственно, как показано на фиг.31 и 32, и определено выше для первой боковой пластины 416 сердечника. В других предпочтительных вариантах выполнения боковая пластина 418 сердечника может иметь размеры и/или быть сконфигурирована альтернативными способами с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Фиг.37-39 показывают одно предпочтительное выполнение электромагнита, магнитной катушки или бобины проволоки 414 протезного коленного сустава, приводимого в действие магнитореологически, по настоящему изобретению. Магнитная катушка 414 в общем случае содержит бобину 340, имеющую пару выступов 342, 344 на каждом конце, обмотку 350, в общем случае окружающую бобину 340 и соединенную с электрическими выводящими проводами 352. Пара щелей или сквозных отверстий 346, 348 в выступе 344 бобины обеспечивают прохождение выводов 352, которые соединяются с аккумулятором или другим источником питания.

Магнитная катушка 414 предпочтительно практически цилиндрическая по форме и имеет практически цилиндрический сквозной проход 358 для приема сердечника 412 (фиг.26-28) для механического соединения магнитной катушки 414 с сердечником 412. Выступы 342 и 344 принимаются в канавках или углублениях соответствующих боковых пластин 416 и 418 (фиг.29-36) для механического соединения магнитной катушки 414 с боковыми пластинами 416, 418. Таким образом, когда вращаются боковые пластины 416, 418 сердечника, магнитная катушка 414 и сердечник 412 также вращаются.

Предпочтительно бобина 340 изготавливается из полифенилен сульфида, имеющего допустимую температуру 200°. Обмотка 350 предпочтительно содержит 340 витков медной проволоки 30 AWG, имеющей сопротивление 8,03 Ом и номинальную мощность 13,7 Вт при 10,5 В постоянного тока. Изоляция обмотки содержит подходящий материал, имеющий допустимую температуру 144°С. Предпочтительно, выводы 352 провода содержат скрученную проволоку 24 AWG, примерно 8 дюймов длиной, с тефлоновым покрытием и частью размером 0,25 дюйма, которая оголена и залужена.

В одном предпочтительном выполнении и со ссылкой, в частности, на фиг.38 и 39, электромагнит или магнитная катушка 414 имеет такие размеры и сконфигурирована так, что длина L₃₈₁ равна 1,138 см (0,448 дюйма), длина L₃₈₂ равна 1,05 см (0,413 дюйма), ширина W₃₈₁ равна 0,762 мм (0,030 дюйма), радиус R₃₈₁ кривизны равен 0,381 мм (0,015 дюйма), диаметр D₃₈₁ равен 0,762 мм (0,030 дюйма), диаметр D₃₉₁ равен 2,45 см (0,965 дюйма), диаметр D₃₉₂ равен 1,89 см (1,120 дюйма), диаметр D₃₉₃ равен 2,02 см (0,795 дюйма), длина L₃₉₁ равна 1,95 см (0,766 дюйма), длина L₃₉₂ равна 1,74 см (0,686 дюйма), длина L₃₉₃ равна 1,02 мм (0,040 дюйма), длина L₃₉₄ равна 1,02 мм (0,040 дюйма), и толщина Т₃₉₁ равна 0,635 мм (0,025 дюйма). В других предпочтительных вариантах выполнения магнитная катушка 414 может иметь размеры и/или быть сконфигурирована альтернативными способами с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Фиг.40-44 показывают одно предпочтительное выполнение внутренней рейки 422 протезного коленного сустава, приводимого в действие магнитореологически, по настоящему изобретению. Внутренняя рейка 422 содержит множество продольных канавок или выемок 484 для зацепления или сопряжения с соответствующими зубцами ротора 420 (фиг.45-47) и практически центральную полость 476 для приема магнитной катушки 414 (фиг.37-39). Предпочтительно внутренняя рейка 422 содержит 9 разнесенных практически на равные расстояния канавок 484, имеющих практически прямоугольную или квадратную форму с закругленными углами.

Полость 476 внутренней рейки предпочтительно включает в себя три продольных полости или прохода 478, которые практически выровнены с отверстиями для приема болтов боковых пластин 418, 418 сердечника (фиг.31 и 35). Проходы 468 принимают болты или им подобные для прикрепления или скрепления внутренней рейки 422 и боковых пластин 416, 418 сердечника. Полость 476 внутренней рейки далее включает в себя множество продольных углублений 360, которые служат для уменьшения веса внутренней рейки 422, а следовательно, и всего протезного коленного сустава.

Внутренняя рейка 422 предпочтительно содержит выступ 480 на каждом конце для приема уплотнительного кольца, прокладки или им подобных для формирования статического уплотнения между способной вращаться внутренней рейкой 422 и способными вращаться боковыми пластинами 416, 418 сердечника. Смежная ступенька, буртик или выступ 363 также предусмотрены на каждом конце для облегчения монтажа уплотнительных колец или прокладок на внутреннюю рейку 422 при сборке протезного коленного сустава.

Предпочтительно внутренняя рейка 422 изготавливается электроискровой обработкой (ЭИО) проволоки. Внутренняя рейка 422 предпочтительно изготавливается из титана или титанового сплава, чтобы обеспечить нежелезистую, но прочную, твердую поверхность с низким весом для зацепления с роторами 420 и передачи от них момента. Более предпочтительно, внутренняя рейка изготавливается из титанового сплава 6AI-4V.

В другом предпочтительном выполнении и со ссылкой, в частности, на фиг.41-44, внутренняя рейка 422 имеет такие размеры и сконфигурирована так, что диаметр D₄₁₁ равен 2,85 см (1,120 дюйма), диаметр D₄₁₂ равен 2,46 см (0,970 дюйма), диаметр D₄₁₃ прохода равен 2,95 мм (0,116 дюйма), угол θ₄₁₁ обычно равен 120°, угол θ₄₁₂ обычно равен 40°, длина L₄₂₁ равна 2,24 см (0,881 дюйма), длина L₄₂₂ равна 1,96 см (0,771 дюйма), изогнутая длина L₄₃₁ равна 1,02 мм (0,040 дюйма), изогнутая длина L₄₃₂ равна 4,17 мм (0,164 дюйма), изогнутая длина L₄₃₃ равна 1,88 мм (0,074 дюйма), изогнутая длина L₄₃₄ равна 8,92 мм (0,351 дюйма), основной диаметр D₄₃₁ равен (1,430 дюйма), диаметр D₄₃₂ равен (1,350 дюйма), диаметр D₄₃₃ равен (1,140 дюйма), ширина W₄₃₁ допуска профиля равна 0,0254 мм (0,001 дюйма), радиусы R₄₃₁, R₄₃₂, R₄₃₃, R₄₃₄, R₄₃₅ кривизны равны 1,27 мм (0,050 дюйма), 1,27 мм (0,050 дюйма), 0,762 мм (0,030 дюйма), 0,381 мм (0,015 дюйма), 0,381 мм (0,015 дюйма) соответственно, угол θ₄₃₁ равен 20°, длина L₄₄₁ равна (0,055 дюйма), длина L₄₄₂ равна 0,381 см (0,015 дюйма), длина L₄₄₃ равна 0,127 см (0,005 дюйма), длина L₄₄₄ равна 0,127 см (0,005 дюйма), диаметр D₄₄₁ равен 3,345 см (1,317 дюйма), диаметр D₄₄₂ равен 3,226 см (1,270 дюйма), радиус R₄₄₁ кривизны равен 0,20 мм (0,008 дюйма), и радиус R₄₄₂ кривизны равен 0,51 мм (0,020 дюйма). В других предпочтительных вариантах выполнения внутренняя рейка 422 может иметь размеры и/или быть сконфигурирована альтернативными способами с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Фиг.45-47 показывают одно предпочтительное выполнение одного из роторов или внутренних лопастей 420 протезного коленного сустава, приводимого в действие магнитореологически, по настоящему изобретению. Предпочтительно кольцеобразный или в форме кольца тонкий ротор 420 в общем случае имеет кольцевую форму и содержит практически центральную полость или сквозное отверстие 486, имеющее множество выступающих внутрь зубцов 488, приспособленных зацепляться или сопрягаться с зубцами 484 внутренней рейки (фиг.41). Альтернативно, роторы 420 могут содержать 9 разнесенных примерно на равные расстояния зубцов 488, которые в общем случае имеют прямоугольную или квадратную форму с закругленными углами.

Роторы 420 предпочтительно изготавливаются из механически твердого, магнитно-мягкого материала, имеющего высокую индукцию насыщения. Более предпочтительно, чтобы роторы 420 изготавливались из вороненой отпущенной стали. Роторы 420 предпочтительно сформированы электроискровой обработкой (ЭИО) проволоки. В качестве преимущества, это допускает высокую степень точности изготовления и избегает или уменьшает любой зазор, колебание или шатание между роторами 420 и внутренней рейкой 422, что в противном случае может вызвать у пациента дискомфорт.

В одном предпочтительном выполнении и со ссылкой в особенности на фиг.45-47, роторы 420 имеют такие размеры и сконфигурированы так, что основной внешний диаметр D₄₅₁ равен 4,851 см (1,910 дюйма), толщина T₄₆₁ равна 0,203 мм (0,008 дюйма), изогнутая длина L₄₇₁ равна 9,12 мм (0,359 дюйма), изогнутая длина L₄₇₂ равна 1,73 мм (0,068 дюйма), больший внутренний диаметр D₄₇₁ равен 3,642 см (1,434 дюйма), меньший внутренний диаметр D₄₇₂ равен 3,439 см (1,354 дюйма), ширина W₄₇₁ допуска профиля равна 0,0254 мм (0,001 дюйма), радиус R₄₇₁ кривизны равен 0,508 мм (0,020 дюйма), радиус R₄₇₂ кривизны равен 0,254 мм (0,010 дюйма), и угол θ₄₇₁ равен 40°. В других предпочтительных вариантах выполнения роторы 420 могут иметь размеры и быть сконфигурированы альтернативными способами с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении отношение основного внешнего диаметра (D₄₅₁) ротора и основного внутреннего диаметра (D₄₇₁) ротора равно 1,3. В другом предпочтительном выполнении отношение основного внешнего диаметра (D₄₅₁) ротора и основного внутреннего диаметра (D₄₇₁) ротора равно от 1,2 до 5. Еще в одном предпочтительном выполнении отношение основного внешнего диаметра (D₄₅₁) ротора и основного внутреннего диаметра (D₄₇₁) ротора равно от 1,1 до 10. В других предпочтительных вариантах выполнения это отношение может изменяться с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Фиг.48-50 показывают одно предпочтительное выполнение одного из статоров или внешних лопастей 430 протезного коленного сустава, приводимого в действие магнитореологически, по настоящему изобретению. Предпочтительно кольцеобразный или в форме кольца тонкий статор 430 в общем случае имеет кольцевую форму и содержит практически центральную полость или сквозное отверстие 490, приспособленное для неконтактного приема внутренней рейки 422, и множество выступающих внутрь зубцов 492 по внешней поверхности статора, приспособленных зацепляться или сопрягаться с канавками или выемками на внешней поверхности способной вращаться внешней рейки протезного коленного сустава. Предпочтительно, статоры 430 содержат 9 разнесенных примерно на равные расстояния зубцов 492, которые в общем случае имеют прямоугольную или квадратную форму с закругленными углами.

Статоры 430 предпочтительно изготавливаются из твердого железистого материала, имеющего высокую индукцию насыщения. Более предпочтительно, чтобы статоры 430 изготавливались из вороненой отпущенной стали. Статоры 430 предпочтительно сформированы электроискровой обработкой (ЭИО) проволоки. В качестве преимущества, это допускает высокую степень точности изготовления и избегает или уменьшает любой зазор, колебание или шатание между статорами 430 и внешней рейкой, что в противном случае может вызвать у пациента дискомфорт.

В одном предпочтительном выполнении и со ссылкой, в частности, на фиг.45-47, статоры 430 имеют такие размеры и сконфигурированы так, что основной внутренний диаметр D₄₈₁ равен 3,658 см (1,440 дюйма), толщина T₄₉₁ равна 0,203 мм (0,008 дюйма), изогнутая длина L₅₀₁ равна 1,18 см (0,464 дюйма), изогнутая длина L₅₀₂ равна 3,66 мм (0,144 дюйма), больший внешний диаметр D₅₀₁ равен 5,07 см (1,996 дюйма), меньший внешний диаметр D₅₀₂ равен 4,867 см (1,916 дюйма), ширина W₅₀₁ допуска профиля равна 0,0254 мм (0,001 дюйма), радиус R₅₀₁ кривизны равен 0,508 мм (0,020 дюйма), радиус R₅₀₂ кривизны равен 0,254 мм (0,010 дюйма), и угол θ₅₀₁ равен 20°. В других предпочтительных вариантах выполнения статоры 430 могут иметь размеры и быть сконфигурированы альтернативными способами с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

В одном предпочтительном выполнении отношение меньшего внешнего диаметра (D₅₀₂) статора и основного внутреннего диаметра (D₄₈₁) равно 1,3. В другом предпочтительном выполнении отношение меньшего внешнего диаметра (D₅₀₂) статора и основного внутреннего диаметра (D₄₈₁) статора равно от 1,2 до 5. Еще в одном предпочтительном выполнении отношение меньшего внешнего диаметра (D₅₀₂) ротора и основного внутреннего диаметра (D₄₈₁) статора равно от 1,1 до 10. В других предпочтительных вариантах выполнения это отношение может изменяться с требуемой или желаемой эффективностью, с уделением должного внимания целям обеспечения пригодного, компактного, легкого по весу и/или долговечного искусственного коленного сустава, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Фиг.51 показывает протезный коленный сустав 510, приводимый в действие магнитореологически, имеющий характеристики и преимущества в соответствии с другим предпочтительным выполнением настоящего изобретения. В этом выполнении магнитный возвратный контур проходит через внешнюю часть протезного коленного сустава 510. Такая конфигурация может обеспечить более компактную и/или легкую по весу конфигурацию системы. Другие пригодные магнитные возвратные контуры могут быть выбраны или сконфигурированы как требуется или как желательно, с уделением должного внимания целям достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

На фиг.51 магнитное поле 540 вырабатывается путем приведения в действие электромагнита или магнитной катушки 514, предпочтительно расположенных между множеством разнесенных чередующихся роторов (внутренних лопастей) 520 и статоров (внешних лопастей) 530 и внешним магнитно-мягким корпусом или оболочкой 512 протезного коленного сустава 510. Активная часть магнитного поля 540 проходит (идет практически в поперечном направлении 542) через роторы 520, статоры 530 и магнито-реологическую жидкость в промежутках между ними. Возвратный контур магнитного поля 540 проходит в радиальном направлении наружу через магнитно-мягкую боковую пластину 516, поперечно через внешнюю часть 512 коленного сустава и радиально внутрь через вторую магнитно-мягкую боковую пластину 518.

Хотя компоненты и методы настоящего изобретения описаны с определенной степенью подробности, должно быть понятно, что многие изменения могут быть выполнены в описанных выше конкретных конфигурациях, конструкциях и методологии без отхода от сущности и объема этого описания. Должно быть понятно, что изобретение не ограничено вариантами выполнения, описанными здесь в целях примера, но должно определяться только четким прочтением формулы изобретения, включая полный диапазон эквивалентности, к которому приписан каждый элемент.

Настоящее изобретение относится в целом к протезным коленным суставам, а в частности, к управляемым тормозным системам для протезных коленных суставов. Протез коленного сустава с электронным управлением содержит магнит и магнитореологическую жидкость, которая под действием магнитного поля способна изменять амортизирующий момент коленного сустава. При этом содержит множество роторов, выполненных с возможностью вращения вокруг продольной оси протеза коленного сустава, множество статоров, разнесенных чередующимся образом с упомянутыми роторами для формирования промежутков между ними. Причем магнитореологическая жидкость находится в промежутках между упомянутыми роторами и упомянутыми статорами, а изменяемый амортизирующий момент коленного сустава осуществляется за счет сдвига упомянутой магнитореологической жидкости, вызванного относительным вращением между упомянутыми роторами и статорами в течение вращения коленного сустава. Протезный узел содержит протез коленного сустава, углубление для культи, находящееся в механической связи с протезом коленного сустава, приспособленное для приема оставшейся конечности человека без ноги, голенную часть протеза, находящуюся в механической связи с протезом коленного сустава, и ступню протеза, находящуюся в механической связи с голенной частью протеза. При этом протез коленного сустава представляет собой протез коленного сустава, упомянутый выше. Способ управления вращением электронного протеза коленного сустава, содержащего множество разнесенных чередующимся образом магнитомягких роторов, магнитомягких статоров и магнитореологическую жидкость во множестве промежутков, сформированных между упомянутыми роторами и упомянутыми статорами, включающий приложение магнитного поля, которое проходит через роторы, статоры и магнитореологическую жидкость, и регулировку магнитного поля для изменения вязкости магнитореологической жидкости в целях обеспечения переменного вращательного сопротивления скручиванию для управления сгибанием и выпрямлением протеза коленного сустава. 3 н. и 31 з.п. ф-лы, 51 ил.

1. Протез коленного сустава с электронным управлением, содержащий магнит и магнитореологическую жидкость, которая под действием магнитного поля способна изменять амортизирующий момент коленного сустава, отличающийся тем, что содержит множество роторов, выполненных с возможностью вращения вокруг продольной оси протеза коленного сустава, множество статоров, разнесенных чередующимся образом с упомянутыми роторами для формирования промежутков между ними, причем магнитореологическая жидкость находится в промежутках между упомянутыми роторами и упомянутыми статорами, а изменяемый амортизирующий момент коленного сустава осуществляется за счет сдвига упомянутой магнитореологической жидкости, вызванного относительным вращением между упомянутыми роторами и статорами в течение вращения коленного сустава.2. Протез коленного сустава по п.1, отличающийся тем, что статоры выполнены с возможностью вращения вокруг продольной оси протеза коленного сустава.3. Протез коленного сустава по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один из роторов и статоров выполнены с возможностью перемещения в поперечном направлении вдоль продольной оси протеза коленного сустава, чтобы создать механический контакт между соседними роторами и статорами для обеспечения фрикционной составляющей амортизирующего момента коленного сустава.4. Протез коленного сустава по п.1, отличающийся тем, что роторы и статоры содержат магнитомягкий материал.5. Протез коленного сустава по п.1, отличающийся тем, что роторы и статоры содержат практически кольцевые диски.6. Протез коленного сустава по п.5, отличающийся тем, что роторы и статоры имеют толщину 0,2 мм.7. Протез коленного сустава по п.1, отличающийся тем, что множество роторов содержит 100 или менее роторов, а множество статоров содержит 100 или менее статоров.8. Протез коленного сустава по п.7, отличающийся тем, что множество роторов содержит 40 роторов, а множество статоров содержит 41 статор.9. Протез коленного сустава по п.1, отличающийся тем, что промежутки между роторами и статорами имеют размер от 10 до 100 мкм.10. Протез коленного сустава по п.9, отличающийся тем, что промежутки между роторами и статорами имеют размер 40 мкм.11. Протез коленного сустава по п.1, отличающийся тем, что роторы и статоры содержат практически цилиндрические трубки.12. Протез коленного сустава по п.1, отличающийся тем, что роторы и статоры содержат вороненую отпущенную сталь или кремниевую сталь.13. Протез коленного сустава по п.1, отличающийся тем, что содержит практически центральный сердечник в механической связи с парой боковых пластин для формирования магнитного возвратного контура для упомянутого магнитного поля.14. Протез коленного сустава по п.13, отличающийся тем, что сердечник и боковые пластины содержат сплав железо-кобальт с высоким магнитным насыщением.15. Протез коленного сустава по п.13, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из боковых пластин выполнена с возможностью перемещения в поперечном направлении вдоль продольной оси протеза коленного сустава.16. Протез коленного сустава по п.1, отличающийся тем, что содержит практически центральный сердечник и пару боковых пластин, сформированных из магнитомягкого материала, для создания магнитного возвратного пути и электромагнит, расположенный между упомянутым сердечником, роторами и статорами, выполненный с возможностью реагирования на электрический сигнал для выработки упомянутого магнитного поля, чтобы вызвать управляемое изменение в реологии упомянутой жидкости.17. Протез коленного сустава по п.1, отличающийся тем, что содержит внутреннюю рейку, выполненную с возможностью вращения, причем роторы зацеплены с упомянутой внутренней рейкой.18. Протез коленного сустава по п.17, отличающийся тем, что внутренняя рейка содержит множество продольных канавок, а каждый из роторов содержит множество зубцов, сопряженным образом зацепленных с продольными канавками внутренней рейки.19. Протез коленного сустава по п.17, отличающийся тем, что внутренняя рейка содержит титановый сплав.20. Протез коленного сустава по п.17, отличающийся тем, что содержит пару подшипников, находящихся во вращательной связи с внутренней рейкой.21. Протез коленного сустава по п.20, отличающийся тем, что содержит пару боковых монтажных вилок, выполненных с возможностью вращения, каждая из которых находится в механической связи с одним из подшипников, для облегчения соединения протеза коленного сустава с голенью протеза.22. Протез коленного сустава по п.1, отличающийся тем, что содержит внешнюю рейку, причем статоры зацеплены с внешней рейкой.23. Протез коленного сустава по п.22, отличающийся тем, что внешняя рейка содержит множество продольных канавок, а каждый из статоров содержит множество зубцов, сопряженным образом зацепленных с продольными канавками внешней рейки.24. Протез коленного сустава по п.22, отличающийся тем, что внешняя рейка содержит анодированный алюминиевый сплав.25. Протез коленного сустава по п.22, отличающийся тем, что внешняя рейка содержит пирамидальный штырь для облегчения соединения протеза коленного сустава с углублением для оставшейся конечности.26. Протез коленного сустава по п.1, отличающийся тем, что содержит магнитную внешнюю часть и пару механически соединенных магнитных боковых пластин для создания магнитного возвратного контура для упомянутого магнитного поля.27. Протез коленного сустава по п.1, отличающийся тем, что содержит систему мягкой остановки сгибания для управления максимальным сгибанием протеза коленного сустава.28. Протез коленного сустава по п.1, отличающийся тем, что содержит систему мягкой остановки выпрямления для управления максимальным выпрямлением протеза коленного сустава.29. Протез коленного сустава по п.1, отличающийся тем, что содержит устройство помощи выпрямлению для облегчения выпрямления протеза коленного сустава.30. Протез коленного сустава по п.1, отличающийся тем, что содержит контроллер для управления и наблюдения за действиями протеза коленного сустава.31. Протезный узел, содержащий протез коленного сустава, углубление для культи, находящееся в механической связи с протезом коленного сустава, приспособленное для приема оставшейся конечности человека без ноги, голенную часть протеза, находящуюся в механической связи с протезом коленного сустава, и ступню протеза, находящуюся в механической связи с голенной частью протеза, отличающийся тем, что протез коленного сустава представляет собой протез коленного сустава по п.132. Способ управления вращением электронного протеза коленного сустава, содержащего множество разнесенных чередующимся образом магнитомягких роторов, магнитомягких статоров и магнитореологическую жидкость во множестве промежутков, сформированных между упомянутыми роторами и упомянутыми статорами, включающий приложение магнитного поля, которое проходит через роторы, статоры и магнитореологическую жидкость, и регулировку магнитного поля для изменения вязкости магнитореологической жидкости в целях обеспечения переменного вращательного сопротивления скручиванию для управления сгибанием и выпрямлением протеза коленного сустава.33. Способ по п.32, отличающийся тем, что включает операцию создания силы притяжения между роторами и статорами путем применения магнитного поля, чтобы вызвать фрикционный контакт между соседними роторами и статорами, тем самым фрикционно амортизируя вращение протеза коленного сустава.34. Способ по п.33, отличающийся тем, что включает операцию регулировки магнитного поля для изменения силы притяжения между соседними роторами и статорами.