Активный протез нижней конечности с биоэлектрическим управлением Советский патент 1992 года по МПК A61F2/70 

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к протезостроению.

Известен активный протез нижней конечности, содержащий гильзы бедра и голени, соединенные коленным шарниром, связанную с гильзой голени стопу и привод управления коленным шарниром.

Недостатком данного устройства является невозможность эффективного управления задним толчком.

Известен также активный протез нижней конечности с биоэлектрическим управлением, содержащий гильзу голени с элементами крепления, связанную коленным шарниром с гильзой бедра и голеностопным шарниром со стопой, силовой привод, кинематически связанный со стопой и размещенный в гильзе голени, а также отводящие электроды, подключенные через усилитель биотоков к силовому приводу.

Недостатками известного устройства являются неэффективность выполнения заднего толчка в связи с отсутствием синхронизации последнего с фазами опоры стопы, а также отсутствие корректировки выполнения заднего толчка с учетом темпа ходьбы и рельефа опорной поверхности.

Цель изобретения - повышение эффективности заднего толчка путем синхронизации его с фазами опоры стопы и корректировки с учетом профиля местности и темпа ходьбы.

На фиг.1 показана структурная схема протеза; на фиг.2 - блок-схема системы управления; на фиг.З - блок-схема блока управления; на фиг.А - эпюры напряжений; на фиг,5 - схема интегратора; на фиг.6 - схема усилителя биотоков и задающего мультивибратора; на фиг.7 - схема формирователя импульсов; на фиг.8 -схема блоков задержки; на фиг.9 - конструкция отводящих электродов.

Активный протез состоит из отводящих электродов 1, системы 2 управления, включающей последовательно соединенные усилитель 3 биотоков, первый интегратор (первое звено второго порядка) 4, управляемый задающий мультивибратор 5, дифференцирующий блок 6 (с ограничителем), формирователь 7 импульсов, первый блок 8 задержки, блок 9 управления, состоящий из импульсного усилителя 10, второго блока 11 задержки и второго интегратора (второго звена второго порядка) 12, а также эмиттер- ный повторитель 13. Выход последнего подключен к обмотке 14 тягового электромагнита 15, образующего с сердечником 16, штоком 17 и возвратной пружиной 18, установленными в стопе 19, силовой привод. Последняя связана голеностопным

шарниром 20 через стойки 21 и резиновое уплотнение 22 с гильзой голени 23 ее элементами крепления, выполненными в виде дистального 24 и проксимального 25 хомутов, ленты 26 и стоек 21.

Звенья второго порядка - интеграторы 4 и 12, выполнены по схеме пикового детектора, регулируемого шунта и интегрирующей цепочки. Блоки 8 и 11 задержки

0 выполнены по схеме последовательного соединения ждущего мультивибратора, дифференцирующей цепи и второго ждущего мультивибратора.

Активный протез работает следующим

5 образом.

При движении, когда одна нога выносится вперед и совершает последующую постановку на опору, на отводящих электродах 1 начинает регистрироваться

0 биоэлектрическая активность 27 икроножной мышцы (фиг.4). После усиления усилителем 3 биотоков первый интегратор 4 преобразует биоэлектрическую активность 27 в постоянное напряжение вида 28. Это

5 напряжение нарастает по экспоненте и угасает также по экспоненте. Длительность экспоненты регулируется потенциометром Рз (фиг.5). Максимум нарастания регулируется величиной емкости Сз- Экспоненци0 альное напряжение 28 поступает на запуск управляемого задающего мультивибратора 5, на выходе которого генерируется импульсное напряжение 29, частота которого возрастает до максимума экспоненциального

5 напряжения 28. После прохождения дифференцирующего блока 6 и формирователя 7 импульсов сформированные по длительности импульсы, имеющие такой же вид (29), через блок 8 задержки поступают на блок 9

0 управления. Этот блок является копией системы управления движением стопой, суще- ствующей в живой природе. Блок 9 управления имеет канал отрицательной обратной связи, образованный блоками 11 и

5 12. На выходе блока 8 получают импульсный сигнал 30 (запаздывание сигнала не показано).

Наличие каналгПэтрицательной обратной связи увеличивает быстродействие бло0 ка 9 управления, что благоприятно сказывается на процессе регулирования сгибания столы 19. Кроме того, за счет того, что амплитуда импульсов в конце сгибания стопы 19 повышается, это обеспечивает

5 двойной вид модуляции: частотную модуляцию и амплитудную модуляцию. Двойной вид модуляции значительно увеличивает помехозащищенность блока 9 управления,так как общая помехозащищенность равна произведению помехозащищенностей отдельных видов модуляции. Второй блок 11 задержки повышает устойчивость системы управления и всего устройства. Первый блок 8 задержки служит для выбора момента начала сгибания стопы 19. Нагрузкой эмиттер- ного повторителя 13 является обмотка 14 тягового электромагнита 15. Когда на обмотку 14 поступает напряжение, то сердечник 16 втягивается внутрь тягового электромагнита 15 и происходит сгибание стопы 19. После окончания действия напряжения на обмотке 14 тягового электромагнита 15 стопа 19 возвращается в исходное состояние под действием возвратной пружины 18. Для исключения вибрации сердеч- ника 16 питающее импульсное напряжение 30 можно преобразовать в постоянное напряжение с помощью дополнительной интегрирующей цепи (не показана), включаемой между блоками 9 и 13.

Таким образом, предлагаемое устройство имеет быстродействующую систему уп- равления, обладающую повышенной помехозащищенностью. Система управления устойчивая. Наличие блока 8 задержки и регулировка длительности управляющего напряжения 28 позволяет оптимизировать процесс сгибания стопы 19 и приблизить его к естественному режиму сгибания. Некоторое уменьшение амплитуды импульсов импульсного сигнала 30 управления позволяет избежать перерегулирования в конце сгибания стопы 19 за счет того, что в момент окончания сгибания при быстром сгибании напряжение управления несколько умень- шается по амплитуде, снижая перерегулирование. Поэтому сгибание стопы 19 происходит в плавном режиме с высоким быстродействием.

Применение предлагаемого протеза с биоэлектрическим управлением обеспечивает сгибание стопы 19 синхронно с движением человека. В момент постановки ноги на опору активируется система управления сгибанием стопы 19. Время начала сгиба- ния также регулируется и подбирается необходимой и оптимальной величины. Сила сгибания стопы 19 зависит от силы, развиваемой икроножной мышцей, которая, в свою очередь, зависит от профиля местно- сти. Если инвалид идет вверх, то усилие на стопе 19 должно быть больше. Это достигается тем, что биотоки икроножной мышцы возрастают. Эти биотоки управляют сгибанием стопы 19, поэтому амплитуда напря-

жения управления возрастает и сила сгибания стопы 19 увеличивается, т.е. предлагаемое устройство автоматически регулирует силу сгибания стопы 19. С изменением темпа движения синхронно изменяется частота сгибания стопы 19. Поэтому как частота сгибания последней, так и сила сгибания определяются режимом движения инвалида автоматически. В момент заднего толчка амплитуда импульсов максимальна, поэтому задний толчок выполняется с максимальным усилием. Следовательно, предлагаемое устройство позволяет оптимизировать работу движения стопы 19 и автоматически производить корректировку режима в зависимости от профиля рельефа и быстроты движения. Применение протеза с биоэлектрическим управлением позволяет приблизить походку инвалида к естественной. Формула изобретения 1. Активный протез нижней конечности с биоэлектрическим управлением, содержащий гильзу голени с элементами крепления, соединенную голеностопным шарниром со стопой, кинематически посредством силового привода связанной с гильзой голени, а также отводящие электроды, подключенные через усилитель биотоков к силовому приводу, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности заднего толчка путем синхронизации его с фазами опоры стопы и корректировки с учетом профиля местности и темпа ходьбы, в него введены последовательно подключенные к выходу усилителя биотоков первый интегратор, задающий мультивибратор, дифференцирующий блок, формирователь импульсов, первый блок задержки, блок управления в виде импульсного усилителя, второго интегратора и второго блока задержки, а также эмиттерный повторитель, причем силовой привод выполнен в виде установленных в стопе возвратной пружины и оснащенного сердечником со штоком тягового электромагнита, обмотка которого подключена к выходу эмиттерного повторителя, а возвратная пружина и шток шарнирно связаны с элементами крепления.

2. Протез по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что в нем элементы крепления выполнены в виде проксимального и оснащенного стойками дистального хомутов, при этом концы стоек подвижно связаны с голеностопным шарниром.

i

От электродов

Использование: протезирование нижних конечностей. Обеспечение повышения эффективности заднего толчка путем синхронизации его с фазами опоры стопы и корректировки с учетом профиля местности и темпа ходьбы. Сущность изобретения: ак тивный протез содержит стопу 19, соединенную голеностопным шарниром 20 через стойки 21 с дистальным хомутом 24 элементов крепления гильзы голени 23. В стопе 19 установлены тяговый электромагнит 15 с сердечником 16 и штоком 17, а также возвратная пружина 19, присоединенные шар- нирно к дистальному хомуту 24 и образующие силовой привод. С обмоткой 14 соединена система 2 управления, включающая отводящие электроды 1, последовательно соединенные сусилителем биотоков, первым интегратором, задающим мультивибратором, дифференцирующим блоком, формирователем импульсов, первым блоком задержки, блоком управления и эмит- терным повторителем, к выходу которого подключена обмотка 14 тягового электромагнита 15. 1 з.п.ф-лы, 9 ил. 25 гз (Л С 4 СО Ю О

т

/J

1

т.,у оА ЭлектричесхомуУ

иг- лрибоду

Гг

10

te12

l

L.

Фиг 4

1

/J

te12

l

//

№2J

4,

Р J

Л, Сг

Фиг. 5

11

K1KTQHKIKTOII

Ч

#w U5

J

0,1

№

-О

HHCj-tf

+

1731210

5800

1

6300