Устройство для оценки вакуумного крепления протеза бедра Советский патент 1992 года по МПК A61F2/76 

Изобретение относится к медицине, в частности к протезированию и протезостроению, и может быть использовано для оценки вакуумного крепления протеза бедраГ(

Целью изобретения является повышение точности и расширение области измере- ния в динамике пррцесса ходьбы в соответствии с фазами шага.

На фиг.1 приведен преобразователь- элемент, общий вид; на фиг.2 - схема выполнения упругого элемента в составе с трансформатором давления; на фиг.З - схема преобразовательного элемента с транс- Форматором силы; на фиг.4 - электрическая схема преобразовательного элемента; на фиг.5 - схема нагружения на изгмб предлагаемого упругого элемента; на фиг.6-схема нагружения упругого элемента силой F.

Устройство содержит заглушку, которая с помощью резьбового соединения и уплот- нительной шайбы установлена в гнезде под

клапан вакуумного крепления в гильзе бедра. Преобразовательный элемент 1 содержит консольно закрепленный в держателе 2 упругий элемент 3, выполненный из двух пластин 4 и 5. На верхней поверхности пластины 4 расположены тензодатчики 6, а на нижней поверхности пластины 5-тензодатчики 7. Упругий элемент 3 выполнен из неэлектропроводного материала, например из стекла или ситала и т.д., причем тензодатчи- i ки 6 и 7, пластины 4 и 5 имеют одинаковый коэффициент линейного расширения.

Перед сборкой упругого элементе Зчв неразъемную конструкцию каждая гластй- на 4 (5) с предварительно закрепленными (нанесенными) тензорезистивными слоями тензодатчиков 6 и 7 и элементами 8-10 жесткости селективно подбирается в пары по номинальному сопротивлению и коэффициенту тензочувствительности.

Х|

00 Ч) О О

Каждая пластина 4 (5) в отдельности является активным плечом мостовой электрической схемы RI или Ra преобразовательного элемента. При объединении двух пластин 4 и $ в упругий эле-; мент 3 подобраныне ранее параметры (номинальное сопротивление тензодатчиков б и 7, коэффициент тензочувствительно- сти) плеч мостовой схемы практически не меняются.

Каждая из пластин 4 и 5 упругого элемента 3 снабжена элементами 8-10 жесткости в виде неразъемно соединенных прямоугольных накладок, закрепленных со стороны тензодатчиков 6 и 7. Для обеспечения крепления упругого элемента 3 в держа- те.ле 2 используются промежуточные прокладки 11, расположенные под элементами 8-10. Толщина прокладок 11 выбирается равной толщине тензодатчиков.

Прямоугольные элементы 10 жесткости предназначены для дополнительного крепления концов тензодатчиков 6 и 7 к поверхности пластин 4 и 5 упругого элемента 3, а также служат для обеспечения вывода из зоны деформации электрических выводов 12 тензодатчков 6 и 7. Элементы 8-10 выполнены из электроизоляционного материала, например стекла, обладающего высокими электроизоляционными свойствами, т.е. вы полн я ют также роль изоляторов в месте заделки упругого элемента в держатель. Это обеспечивает высокую электробезопасность конструкции. Элементы 8-10, а также прокладки 11 имеют такой же коэффициент линейного расширения, как держатель 2, упругий элемент 3, тензодатчики 6 и 7.

При прямом изгибе упругого элемента 3 во внешних волокнах возникают наибольшие продольные деформации. В предлагаемой конструкции внешними волокнами являются закрепленные тензодатчики, которые претерпевают наибольшую продоль ную деформацию сжатия или растяжения. Для увеличения надежности крепления тен- зодатчиков в конструкцию введены элементы 8-10, которые дополнительно закрепляют концы тензодатчиков. Это конструктивное решение увеличивает общую площадь крепления тензодатчиков в местах наибольшей деформации сжатия или растяжения, чем снижается остаточная деформация (гистерезис), увеличивается надежность работы упругого элемента в знакопеременных нагрузках.

. Преобразовательный элемент датчиков содержит также промежуточный передатчик 13 силы перемещения, выполненный в виде стержня с шарниром с внутренним

трением, жестко соединенного соответственно с подвижным концом упругого элемента 3 и трансформатором 24 силы, корпус 14 преобразовательного элемента, плату 15

крепления гермовыводов. Гермовывод 16 (показан только один из трех гермовыводов) служит для подсоединения электрических выводов 12 упругого элемента 3 с элементами настройки мостовой схемы.

0 Верхний ограничительный упор 17 ограничивает ход упругого элемента при перегрузках положительного давления перемещения, нижний ограничительный упор 18ограничиваетходупругогоэлемента

5 при перегрузках отрицательного давления перемещения, элемент настройки мостовой схемы 19, содержащий сопротивления R/J.RS.RP.RH.RZ. Кронштейн 20 крепления соединяет все детали преобразователя, За0 щитный колпачок 21 предохраняет преобразователь от механических воздействий и служит экраном электрической схемы. Планка 22 крепления кабеля, выходной кабель 23 служат для питания электриче5 ской схемы преобразователя и съема выходного сигнала. Упругая мембрана 24 рассматривается как пример возможного применения преобразовательного элемента. Меняя эффективную площадь мембраны,

0 ее толщину, модуль упругости и т.д., возможно построение на основе предлагаемого преобразовательного элемента ряда датчиков давления. Корпус 25 трансформатора силы служит для крепления мембраны 24, сочленения с преобразователем и выполняет роль штуцера, через который подается Измеряемое давление.

Электрическая схема преобразовательного элемента представляет собой мост Уинстона с двумя активными тензорези- стивными слоями в смежных плечах и двумя пассивными намотанными стабильными со0 противлениями в двух других плечах.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Под воздействием измеряемого перемещения силы передатчика 13 силы упругий

5 элемент 3 (фиг.З) подвергается прямому изгибу, т.е. изгибу относительно главной оси инерции поперечного сечения упругого элемента 3 (фиг.5). В соответствии с законами теории упругости продольная деформация

0 любого волокна с вертикальным расстоянием t от главной оси инерции выражается формулой

Mj

Ј

«,

1-Е где t-экваториальный мо-.

мент инерции площади поперечного сечения, отнесенный к главной оси инерции;

е- деформация, относительное изменение длины;

Mb - изгибающий момент;

Е - модуль Юнга.

Следовательно, продольная деформация во внешнем волокне с {макс является наибольшей, причем главная ось инерции соответствует недеформированному (средняя плоскость) волокну. Продольная деформация появляется выше или ниже деформированного волокна (в зависимости от знака ф как растяжение или сжатие. Эти положения использованы в конструкции упругого элемента 3, что позволило выполнить упругий элемент из двух пластин 4 и 5,

Выполнение упругого элемента 3 из двух пластин 4 и 5 обеспечивает возможность после нанесения или закрепления тензодатчиков на пластины 4 и 5 проводить селективный подбор двух активных плеч мостовой схемы преобразовательного элемента Ri, R2). По номинальному сопротивлению и коэффициенту тензочувствительности обеспечивают идентичность электрических, параметров, Подбор выполняется на уровне идентичности электрических параметров ±0,5%. Подобранные по электрическим параметрам.пластины собираются по средней плоскости с помощью неразъемного соединения (фиг.5). Сборка упругого элемента 3 и крепление его в держатель 2 может осуществляться с помощью синтетической связки, а также легкоплавкими силикатными стеклами и стеклоцементами (подобранными по коэффициенту линейных расширений). Поскольку в конструкции тензорезистивные датчики 6 и 7 расположены на упругом элементе 3 в продольном направлении (фиг.5), то между изгибающим моментом и изменением величины сопротивления тензорези- стивных датчиков получается следующая

A RA R зависимость:-г5- Ке+(-р-)емп.

R

AR R

„.5 , ( ARv Е ТГ Гемп-.

AR „ ,; ARV -R- KI I.E. +Нг гемп;

где R-электрическое сопротивление тензо- резистивных датчиков;

К - коэффициент тензочувствительности;

б - изменение, зависящее от температуры;:

Ri; R2 - полупроводниковые тензослои (тензометры);

R3: Ri - резисторы проволочные мотанные (с помощью R3 и RA осуществляется балансировка моста);

Rp - резистор для температурной компенсации чувствительности; 5RZ - резистор проволочный мотанный.

Вторые тензорезистивные датчики, размещенные на нижней пластине упругого элемента 3, т.е. противоположно первым, подвержены тем же температурным воздей- 0 ствиям. В них (при условии симметричного сечения) наблюдаются следующие изменения сопротивления:

AR у ./ AR4

пг- к-ГЕ-K-R-)1

5 Таким образом, получают полную температурную компенсацию полумостовой электрической схемы (фиг.4) с одновременным увеличением коэффициента чувствительности. Приведенные зависимости

0 выполняются при условии как расположения тензорезистивных датчиков, так и их идентичности номинальных сопротивлений и коэффициента тензочувствительности на уровне идентичности электрических па5 раметров ±0,5%. Следствием этого является воспроизводимость метрологических характеристик с заданными параметрами в серийном производстве. Передатчик 13 силы обеспечивает передачу силы перемеще0 ния для деформации упругого элемента 3. При воздействии полезной силы на конец упругого элемента 3 последний получает перемещение с угловым поворотом. Для этого в конструкцию введен передатчик 13 силы

5 перемещения, выполняющий роль шарнира с внутренним трением. Передатчик 13 силы перемещения выполнен в виде стержня, геометрические размеры которого рассчитаны на устойчивость стержня. При этом

0 расчет ведется таким образом, что при преобразовании поступательного движения мембраны 24 (при воздействии давления Р) во вращательно-поступательное движение конца упругого элемента 5 были минималь5 ные энергетические затраты на изгиб стержня передатчика 13 силы. Последний обеспечивает передачу силы для деформации упругого элемента 3, не теряя своей устойчивости. Жесткое крепление передат0 чикасилы к упругому элементу 3 и мембране 24 (трансформатору силы) обеспечивает работу элемента в знакопеременном режиме, что позволяет проводить измерения как из- бьпочного давления тж и вакуумметричесмого. При пе5 рэгрузочных значениях избыточного давления упругий элемент Зупираетв гермоеывод 16 передатчик 13 сипы (стержень теряет устойчивость, чем предохраняет упругий элемент от разрушения). Введение в устройство конструктивного решения передатчика 13 силы перемещения позволяет повысить чувствительность и метрологические характеристики линейноти предлагаемого устройства. Одновреенно можно обезопасить конструкцию при положительных значениях перегрузки от разрушения.,

Преобразовательный элемент датчика 5 работает следующим образом.

Под воздействием силы давления Р, поаваемого от объекта измерения (например, избыточное давление из внутренней полости манжетки для аппарата автоматическо- 10 го измерения артериального давления), упругая мембрана 24 (фиг.З) получает поступательное перемещение ее центра жестко закрепленного с передатчиком 13 силы,ко- торый поступательное перемещение мемб- 15 раны преобразует во вращатель- но-поступательное движение подвижного конца консольно закрепленного упругого элемента 3. Под воздействием измеряемого перемещения силы тензорези- 20 стивные датчики 6 и 7 упругого элемента 3 подвергаются деформации сжатия и растяжения иизменяютсвоесопротивление. Приэтомсизме- рительной диагонали мостовой схемы снимается выходное напряжение, которое 25 прямо пропорционально прогибу упругого элемента 3 и подается на вторичный измерительный канал прибора.

Предлагаемое устройство позволяет использовать единую кинематическую схему 30

построения датчиков, единый метод преобразования - резистивный, при этом эффективно решается проблема унификации.

. Формул а-изо-брете кия

1. Устройство для оценки вакуумного крепления протеза бедра, содержащее заглушку со штуцером, чувствительный элемент, тензодатчики и преобразователь давления, о тличающеес я тем, что, с целью повышения точности и расширения области измерения в динамике процесса ходьбы в соответствии с фазами шага, в него введен стержень с шарниром, чувствительный элемент выполнен из двух неразъемных пластин, каждая из которых снабжена элементами жесткости в виде соединенных прямоугольных накладок, закрепленных в держателе со стороны тензодатчиков, расположенных на поверхности упругого элемента, причем с подвижным концом упругого элемента одним концом жестко соединен стержень, вторым концом соединенный с преобразователем давления.

1 2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю ще е- с я тем, что упругий элемент выполнен из неэлектропроводного материала с коэффициентом линейного расширения, равным коэффициентам линейного расширения материала держателя и тензодатчиков.

22

18

20

Шг.1

гч

$иг.2

я Г

ФигМ

U

ni

aфиг. 6

f

/

ho

/M

V