Привод для активных протезов конечностей и способ его изготовления Российский патент 2025 года по МПК A61F2/08 A61F2/54 A61F2/60 A61F2/72 A61L27/04 A61L27/14 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области медицины, а именно к области бионического протезирования, то есть к специальному виду лечебной помощи больным и инвалидам, предусматривающему частичное или полное восполнение формы и функции органа, пострадавшего в результате травмы, заболевания или порока развития. Вместе с тем изобретение может быть использовано в области робототехники и машиностроения.

Изобретение предназначено для использования в активных протезах конечностей с внешним источником энергии в качестве привода подвижных деталей протеза. Также изобретение может быть использовано в области робототехники для создания подвижных частей устройств, требующих произведения сократительного движения.

Цель изобретения повышение устойчивости устройств к физическим повреждениям, расширение эксплуатационных возможности устройств, уменьшение их габаритов и массы.

Обзор проблемной области

1. Уровень техники и аналоги

1. Известно устройство RU 2563815 С1 «ИСКУССТВЕННАЯ МЫШЦА», (аналог №1), являющееся искусственной мышцей на основе композитных материалов, предназначенной для произведения быстрого сокращения под действием электрических импульсов; аналогичность здесь проявляется на уровне типа решаемой задачи и принципа использования электрического тока для приведения устройства в действие.

2. Также известна разработка RU 2372056 С1 «ИСКУССТВЕННАЯ МЫШЦА (ВАРИАНТЫ)», (аналог №2), являющееся искусственной мышцей на основе комплекса камер с эластичными стенками, заполненных с возможностью формирования давления на стенки веществом с ферромагнитными свойствами и имеющие электропроводные обмотки. Недостатки устройства: высокая сложность конструкции, невозможность использования в медицинских протезах ввиду генерации электромагнитного поля.

3. Наиболее близкой, принятой за прототип, разработкой, является зарубежная работа (Wu L. et al. Compact and low-cost humanoid hand powered by nylon artificial muscles //Bioinspiration & biomimetics. - 2017. - T. 12. - №. 2. - С.026004.) в которой искусственная мышца представлена нейлоновой нитью, которая при достижении определенной температуры способна совершать сократительные движения. Недостатком этой разработки является высокая вероятность выхода искусственной мышцы из строя при превышении рабочей температуры волокна, медленное возвращение в исходную позицию и малая длина сократительного движения. На преодоление этих ограничений и направлена обсуждаемая разработка.

2. Раскрытие изобретения

Формула изобретения:

1) Способ изготовления привода для активных протезов конечностей, заключающийся в том, что составные элементы привода подвергают механической и термической обработке по следующему алгоритму: осуществляют подготовку отрезков нагревательного элемента, выполненного в виде нихромовой проволоки, и капроновой нити равной длины, соединяют их вместе на концах отрезков обжимными наконечниками, скручивают отрезки до состояния спирали, фиксируют, нагревают в течение одного часа в среде с температурой +150°С, растягивают на 1/3 от исходной длины спирали, остужают до комнатной температуры, повторно нагревают в течение одного часа в среде с температурой +150°С, остужают и оставляют при комнатной температуре на 24 часа, к концам наконечников припаивают провода для подачи электрического тока, отливают цилиндрическую силиконовую капсулу с веретенообразной полостью внутри, после затвердевания извлекают ее из формы, покрывают тальком, помещают в полимерную трубку оплетки типа «Змеиная кожа», отрезанную по длине силиконовой капсулы, внутрь капсулы помещают комплекс нагревательного элемента и капроновой мононити с припаянными к нему проводами для подачи электрического тока, нижнее торцевое отверстие капсулы герметично закрывают с фиксацией первого конца полимерной трубки оплетки, полость внутри капсулы заполняют веществом с температурой кипения не более +80°С, верхнее торцевое отверстие капсулы герметично закрывают с фиксацией второго конца полимерной трубки оплетки.

2) Привод для активных протезов конечностей, изготовленный способом по п. 1 и содержащий по меньшей мере один комплекс нагревательного элемента, выполненного в виде нихромовой проволоки, и капроновой мононити, выполненной с возможностью производить сократительное движение при подаче электрического тока, по меньшей мере два обжимных наконечника и по меньшей мере два провода для подачи электрического тока, припаянных к концам наконечников, причем нагревательный элемент и капроновая мононить скручены до состояния спирали, а указанный комплекс помещен в цилиндрическую силиконовую капсулу с одной веретенообразной полостью внутри и двумя отверстиями в торцах, заключенную в полимерную оплетку типа «Змеиная кожа», при этом полость внутри капсулы заполнена жидким веществом с температурой кипения не более +80°С.

Указанные признаки изобретения обеспечивают следующие эффекты

1) Возможность производства сократительного движения Устройства

2) Возможность поднятия Устройством вертикально расположенного груза

3) Предупреждение перегревания Устройства приводящего к нарушению работоспособности устройства

4) Уменьшение массы механических устройств, созданных на базе обсуждаемого Устройства

5) Быстрое возвращение Устройства в исходное состояние

6) Высокую устойчивость Устройства к механическим воздействиям.

Раскрытие формулы

Эффект 1 достигается путем соблюдения условий изготовления комплекса нагревательного элемента и капроновой мононити, при котором достигается наилучший переход кристаллической решетки вещества мононити в компактную форму.

Эффект 2 обеспечивается наличием в силиконовой капсуле веретенообразной полости заполненной веществом с температурой кипения не более +80°С и полимерной трубки оплетки типа «Змеиная кожа», так как при подачи электрического тока на нагревательный элемент происходит не только сокращение комплекса нагревательного элемента и капроновой мононити, но и увеличение объема силиконовой капсулы, посредством увеличения внутреннего давления в ней, что приводит к давлению на стенки полимерной трубки оплетки увеличивая ее объем и уменьшающей ее длину.

Эффект 3 достигается тем, что вещество с температурой кипения не более +80°С затрудняет перегрев нагревательного элемента и оплавление капроновой мононити.

Эффект 4 подразумевает под уменьшением массы готового устройства на базе обсуждаемого Устройства, меньшую массу в сравнении с устройствами, созданными на основе традиционных механических электрических или гидравлических приводов.

Эффект 5 достигается использованием силиконовой капсулы в полимерной трубке оплетки типа «Змеиная кожа», так как эти элементы обладают упругость, позволяющей им принимать свое исходное состояние при отсутствии сил, деформирующих их.

Эффект 6 обусловлен тем, что обсуждаемое Устройство не имеет твердых хрупких или легкодеформируемых деталей, а значит мало подвержено физическим повреждениям вследствие, например, ударов твердыми объектами.

Техническим результатом заявляемого изобретения является Устройство, обеспечивающее преобразование электрической энергии в механическую, для использования в качестве привода в активных протезах с внешним источником энергии или в иных механических устройствах, требующих осуществления сократительного движения и, как следствие, уменьшить габариты и массу готового устройства, повысить его энергоэффективность и силу сократительного движения привода, и Способ его изготовления.

Указанный технический результат достигается тем, что изготовленный вышеуказанным способом комплекс нагревательного элемента и капроновой мононити помещается в цилиндрическую силиконовую капсулу с веретенообразной полостью заполненной веществом с температурой кипения не более+80°С, капсула, в свою очередь, помещена в полимерную трубку оплетки типа «Змеиная кожа», которая уменьшает свою исходную длину за счет увеличения диаметра, вследствие возникновения повышенного давления внутри силиконовой капсулы.

3. Осуществление изобретения

Предложенное изобретение осуществляется следующим образом. Для пояснения описываемого изобретения на чертеже приведен состав элементов устройства:

1) Провода для подачи электрического тока;

2) Обжимные наконечники;

3) Полимерная трубка оплетки типа «Змеиная кожа»;

4) Цилиндрическая силиконовая капсула;

5) Веретенообразная полость внутри силиконовой капсулы, заполненная веществом с температурой кипения не более +80°С;

6) Спирализованная капроновая мононить;

7) Спирализованный нагревательный элемент.

Последовательно выполняются четыре этапа, соответствующих логике изготовления и работы изобретения:

1) Отрезки нихромовой проволоки, выступающей в роли нагревательного элемента, и нейлоновой или капроновой мононити равной длины обжимаются вместе по концам обжимными наконечниками и скручиваются до тех пор, пока они не образуют спираль между двумя наконечниками, после чего этот спиральный комплекс фиксируется и помещается в среду с температурой +150°С на 60 минут, по прошествии которых комплекс извлекается из среды, растягивается на 1/3 от своей исходной длины, остужается до комнатной температуры, снова фиксируется и помещается в среду с температурой +150°С на 60 минут, по прошествии которых комплекс из среды, остужается и оставляется при комнатной температуре на 24 часа. После этого к концам наконечников припаиваются провода для подачи электрического тока.

2) Отливается цилиндрическая силиконовая капсула с веретенообразной полостью внутри из мягкого силикона на основе олова и отливочных форм, после затвердевания извлекается из формы, покрывается тальком, помещается в полимерную трубку оплетки типа «Змеиная кожа», отрезанную по длине силиконовой капсулы и имеющую подходящий диаметр.

3) Внутрь цилиндрической силиконовой капсулы с веретенообразной полостью, помещенной в полимерную трубку оплетки типа «Змеиная кожа», помещается комплекс нагревательного элемента и капроновой мононити с припаянными к нему проводами для подачи электрического тока, затем нижнее торцевое отверстие капсулы герметично закрывается с фиксацией первого конца полимерной трубки оплетки, чего веретенообразная полость заполняется веществом с температурой кипения не более +80°С, затем верхнее торцевое отверстие капсулы также герметично закрывается с фиксацией второго конца полимерной трубки оплетки.

4) К проводам для подачи электрического тока подключается источник постоянного тока, при включении которого происходит нагревание комплекса нагревательного элемента и капроновой мононити и внутренней активной среды, представленной веществом с температурой кипения не более +80°С, вследствие чего капроновая мононить производит сократительное движение внутри веретенообразной полости силиконовой капсулы, одновременно с этим вещество с температурой кипения не более +80°С переходит в газообразное агрегатное состояние, создавая в полости зону повышенного давления, которое расширяет полость растягивая капсулу и давя на стенки полимерной трубки оплетки типа «Змеиная кожа», что приводит к увеличению диаметра трубки и сокращению ее длины. При прекращении подачи электрического тока устройство возвращается в исходное состояние.

Краткое описание чертежей

1. Провода для подачи электрического тока;

2. Обжимные наконечники;

3. Полимерная трубка оплетки типа «Змеиная кожа»;

4. Цилиндрическая силиконовая капсула;

5. Веретенообразная полость внутри силиконовой капсулы, заполненная веществом с температурой кипения не более +80°С;

6. Спирал изо ванная капроновая мононить;

7. Спирализованный нагревательный элемент.

Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к приводу для активных протезов конечностей и способу его изготовления. Привод содержит комплекс нагревательного элемента в виде нихромовой проволоки и капроновой мононити, способной производить сократительное движение при подаче электрического тока, обжимные наконечники и провода для подачи электрического тока. При этом соединяют нихромовую проволоку и капроновую нить равной длины на концах отрезков обжимными наконечниками. Скручивают отрезки до состояния спирали и нагревают в течение одного часа. Растягивают на 1/3 от исходной длины спирали и остужают до комнатной температуры. Повторно нагревают, остужают и оставляют при комнатной температуре на 24 часа. К концам наконечников припаивают провода. Отливают цилиндрическую силиконовую капсулу с веретенообразной полостью внутри. Помещают капсулу в полимерную трубку оплетки типа «Змеиная кожа». Внутрь капсулы помещают комплекс нагревательного элемента и капроновой мононити с припаянными к нему проводами. Нижнее торцевое отверстие капсулы герметично закрывают с фиксацией первого конца полимерной трубки оплетки. Полость внутри капсулы заполняют веществом с температурой кипения не более +80°С. Верхнее торцевое отверстие капсулы герметично закрывают с фиксацией второго конца полимерной трубки оплетки. Достигается повышение устойчивости к физическим повреждениям, расширение эксплуатационных возможностей, уменьшение габаритов и массы устройства. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ изготовления привода для активных протезов конечностей, заключающийся в том, что составные элементы привода подвергают механической и термической обработке по следующему алгоритму: осуществляют подготовку отрезков нагревательного элемента, выполненного в виде нихромовой проволоки, и капроновой нити равной длины, соединяют их вместе на концах отрезков обжимными наконечниками, скручивают отрезки до состояния спирали, фиксируют, нагревают в течение одного часа в среде с температурой +150°С, растягивают на 1/3 от исходной длины спирали, остужают до комнатной температуры, повторно нагревают в течение одного часа в среде с температурой +150°С, остужают и оставляют при комнатной температуре на 24 часа, к концам наконечников припаивают провода для подачи электрического тока, отливают цилиндрическую силиконовую капсулу с веретенообразной полостью внутри, после затвердевания извлекают ее из формы, покрывают тальком, помещают в полимерную трубку оплетки типа «Змеиная кожа», отрезанную по длине силиконовой капсулы, внутрь капсулы помещают комплекс нагревательного элемента и капроновой мононити с припаянными к нему проводами для подачи электрического тока, нижнее торцевое отверстие капсулы герметично закрывают с фиксацией первого конца полимерной трубки оплетки, полость внутри капсулы заполняют веществом с температурой кипения не более +80°С, верхнее торцевое отверстие капсулы герметично закрывают с фиксацией второго конца полимерной трубки оплетки.

2. Привод для активных протезов конечностей, изготовленный способом по п. 1 и содержащий по меньшей мере один комплекс нагревательного элемента, выполненного в виде нихромовой проволоки, и капроновой мононити, выполненной с возможностью производить сократительное движение при подаче электрического тока, по меньшей мере два обжимных наконечника и по меньшей мере два провода для подачи электрического тока, припаянных к концам наконечников, причем нагревательный элемент и капроновая мононить скручены до состояния спирали, а указанный комплекс помещен в цилиндрическую силиконовую капсулу с одной веретенообразной полостью внутри и двумя отверстиями в торцах, заключенную в полимерную оплетку типа «Змеиная кожа», при этом полость внутри капсулы заполнена жидким веществом с температурой кипения не более +80°С.