RU2695948C1

RU2695948C1 - Leg prosthesis

Info

Publication number: RU2695948C1
Application number: RU2019106459A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Николаевич Буров; Владимир Александрович Большаков; Олег Леонидович Белянин
Priority date: 2019-03-06
Filing date: 2019-03-06
Publication date: 2019-07-29

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention relates to medicine. Leg prosthesis comprises a receiving sleeve, a shin post, a foot in which a flat curved spring forms a front part of the foot, and the back part of the foot adds by an elastic plate rigidly connected to the support surface. Active ankle actuator comprises a hinge case for back folding of the foot, in which a foot bracket is pivotally mounted by means of a dorsal flexure axis rigidly connected to it, and also rigidly connected to the front part of the foot. Body has a self-locking double-acting overtaking clutch with a split disc, the cage of which is rigidly fixed in the housing. On one side, the rear bending axis is rigidly connected to the clutch cam installed between its half-discs, and the clutch lead, enclosing the half-discs, is rigidly connected to the output shaft of the motor-reduction gear of the rear end drive electric motor, the flange of which is connected to the housing. Half-discs are spring-loaded and pressed to holder. Axis of back flexure on other side is rigidly connected with rotor of angular flexion angle sensor, and its stator is connected to housing. Proposed device comprises electronic unit for control channel of back folding wherein feedback control sensor and feedback sensor in form of rear flexion angle sensor is connected to input of adder. First and second impulse converters are connected at the output of the adder. Pulse transducers are connected to power amplifier, output of which is connected to motor gearbox of electric drive of rear flexion connected with actuator of rear folding of foot. Electronic control unit and the power supply are fixed to the receiver sleeve. Dumb-bend control sensor is made in the form of a bioelectric control sensor containing in-series electrodes, a preamplifier, a detector and a filter. Two limit switches are introduced into the control channel so that the drive can be protected against overload at the moment when the actuator arrives at the stop in the extreme positions of the mechanism. Bioelectric control sensor is placed on the receiving sleeve.

EFFECT: invention provides physiological walking on prosthesis in statics and dynamics due to possibility in natural mode to perform back folding of foot, completely preserving anthropomorphy of motion during foot transfer above surface of support.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к протезированию и протезостроению.The invention relates to medical equipment, namely to prosthetics and prosthetics.

Известен протез голени по патенту РФ №2482819, кл. A61F 2/66.Known shank prosthesis according to the patent of Russian Federation No. 2482819, class. A61F 2/66.

Протез голени содержит приемную гильзу, стойку голени, стопу, в которой плоская изогнутая пружина, образует переднюю часть стопы, а заднюю часть стопы дополняет неподвижно соединенная с опорой упругая пластина.The lower leg prosthesis contains a receiving sleeve, lower leg, foot, in which a flat curved spring forms the front of the foot, and the back of the foot is supplemented by an elastic plate fixed to the support.

Недостатком указанного протеза является недостаточное удобство использования, так как после заднего толчка стопа, выполнив движение тыльного сгибания, замедленно возвращается в исходное положение относительно стойки голени. Если инвалид задержит ногу при согнутом колене, то стопа возвращается в исходное положение, не сохраняя антропоморфного сгибания при ее переносе над опорной поверхностью. При этом чтобы вернуть стопу в состояние тыльного сгибания необходимо повторно выполнить задний толчок.The disadvantage of this prosthesis is the lack of ease of use, since after the back push of the foot, having performed the movement of the back flexion, it slowly returns to its original position relative to the tibia. If a disabled person holds up his leg with a bent knee, then the foot returns to its original position, without preserving anthropomorphic flexion when it is transferred above the supporting surface. At the same time, in order to return the foot to the state of back flexion, it is necessary to perform the back push again.

Наиболее близким по функциональной и технической сущности является протез голени по патенту РФ №2655452 кл. A61F 2/66 - прототип.The closest in functional and technical essence is the lower leg prosthesis according to the patent of the Russian Federation No. 265452 class. A61F 2/66 is a prototype.

Протез голени, содержит приемную гильзу, стойку голени, стопу, в которой плоская изогнутая пружина образует переднюю часть стопы, а заднюю часть стопы дополняет неподвижно соединенная с опорной поверхностью упругая пластина, активный исполнительный механизм голеностопного шарнира, содержащий корпус шарнира тыльного сгибания стопы, в котором шарнирно установлен кронштейн стопы посредством неподвижно соединенной с ним осью тыльного сгибания, а также неподвижно соединенный с передней частью стопы, при этом в корпусе установлена самотормозящая муфта обгона двустороннего действия с разрезным диском, обойма которой неподвижно закреплена в корпусе, причем с одной стороны ось тыльного сгибания неподвижно соединена с кулачком муфты, установленным между ее полудисками, а поводок муфты, охватывающий полудиски, неподвижно соединен с выходным валом мотор-редуктора электропривода тыльного сгибания, фланец которого соединен с корпусом, при этом полудиски подпружинены и прижаты к обойме, кроме того ось тыльного сгибания с другой стороны неподвижно соединена с ротором датчика угла тыльного сгибания, а его статор присоединен к корпусу.The lower leg prosthesis comprises a receiving sleeve, lower leg, foot, in which a flat curved spring forms the front of the foot, and the back of the foot is supplemented by an elastic plate, an active actuator of the ankle hinge, which contains the body of the back flexion of the foot, in which the foot bracket is pivotally mounted by means of the rear flexion axis fixedly connected to it, and also fixedly connected to the front part of the foot, while a motor is mounted in the housing double-sided overtaking clutch with a split disc, the cage of which is fixedly mounted in the housing, and on the one hand the rear bending axis is fixedly connected to the clutch cam installed between its half-disks, and the coupling leash covering half-disks is fixedly connected to the output shaft of the electric motor-reducer rear bending, the flange of which is connected to the body, while the half-discs are spring-loaded and pressed against the clip, in addition, the rear bending axis on the other hand is fixedly connected to the rotor of the angle sensor and dorsiflexion, and its stator is attached to the body.

Недостатком данного протеза является то, что тыльное сгибание стопы выполняется как сочетанное со сгибанием голени в коленном суставе. При этом, например, в положении сидя стопа будет находиться в неестественном состоянии максимального тыльного сгибания.The disadvantage of this prosthesis is that the back flexion of the foot is performed as combined with the flexion of the lower leg in the knee joint. In this case, for example, in a sitting position, the foot will be in an unnatural state of maximum back flexion.

Задачей предлагаемого изобретения является создание протеза голени, при использовании которого достигается удобство пользования за счет обеспеченния физиологичности ходьбы на протезе в статике и динамике благодаря возможности в естественном режиме выполнять тыльное сгибание стопы полностью сохраняя антропоморфность движения при переносе стопы над поверхностью опоры.The objective of the invention is the creation of a shin prosthesis, the use of which ensures ease of use by providing physiological walking on the prosthesis in statics and dynamics due to the ability to naturally perform back flexion of the foot while fully maintaining the anthropomorphism of movement when moving the foot over the support surface.

Технический результат поставленной задачи достигается тем, что в протез голени, содержащий: приемную гильзу, стойку голени, стопу, в которой плоская изогнутая пружина образует переднюю часть стопы; заднюю часть стопы дополняет неподвижно соединенная с опорной поверхностью упругая пластина; активный исполнительный механизм голеностопного шарнира, содержащий корпус шарнира тыльного сгибания стопы, в котором шарнирно установлен кронштейн стопы посредством неподвижно соединенной с ним осью тыльного сгибания, а также неподвижно соединенный с передней частью стопы; при этом в корпусе установлена самотормозящая муфта обгона двустороннего действия с разрезным диском, обойма которой неподвижно закреплена в корпусе, причем с одной стороны ось тыльного подгибания неподвижно соединена с кулачком муфты, установленным между ее полудисками, а поводок муфты, охватывающий полудиски, неподвижно соединен с выходным валом мотор-редуктора электропривода тыльного сгибания, фланец которого соединен с корпусом, при этом полудиски подпружинены и прижаты к обойме, кроме того ось тыльного подгибания с другой стороны неподвижно соединена с ротором датчика угла тыльного сгибания, а его статор присоединен к корпусу, кроме того содержащий электронный блок канала управления тыльным сгибанием стопы, в котором датчик управления тыльным сгибанием и датчик обратной связи в виде датчика угла тыльного сгибания соединен со входом сумматора, на выходе которого подключены первый и второй импульсные преобразователи, соединенные с усилителем мощности, выход которого подключен к мотор-редуктору электропривода тыльного сгибания, соединенного с исполнительным механизмом тыльного сгибания стопы, при этом электронный блок управления и источник электропитания закреплены на приемной гильзе, предлагается датчик управления тыльным сгибанием выполнить в виде датчика биоэлектрического управления, содержащего последовательно электроды, предварительный усилитель, детектор и фильтр, а также ввести два концевых выключателя с возможностью обеспечения защиты привода от перегрузки в момент прихода исполнительного устройства на упор в крайних положениях механизма, при этом датчик биоэлектрического управления разместить на приемной гильзе.The technical result of the task is achieved by the fact that in the prosthesis of the lower leg, comprising: the receiving sleeve, the leg of the lower leg, foot, in which a flat curved spring forms the forefoot; the back of the foot is supplemented by an elastic plate fixedly connected to the supporting surface; an active actuator of the ankle joint, comprising a body of the back flexion hinge, in which the foot bracket is pivotally mounted by the back flexion axis fixedly connected to it, and also fixedly connected to the forefoot; at the same time, a double-acting overtaking clutch with a split disk is installed in the casing, the cage of which is fixedly mounted in the casing, and on the one hand the rear bending axis is fixedly connected to the clutch cam installed between its half-disks, and the coupling leash covering half-disks is fixedly connected to the output the shaft of the gear motor of the rear bending electric drive, the flange of which is connected to the body, while the half-disks are spring-loaded and pressed to the clip, in addition, the rear bending axis is on the other sides fixedly connected to the rotor of the back flexion angle sensor, and its stator is attached to the housing, in addition, containing an electronic unit for the back flexion control channel, in which the back flexion control sensor and the feedback sensor in the form of a back flexion angle sensor are connected to the adder input which is connected to the first and second pulse converters connected to a power amplifier, the output of which is connected to the gear motor of the rear bending electric drive connected to the actuator with the back flexion of the foot, while the electronic control unit and the power source are mounted on the receiving sleeve, it is proposed to perform the back flexion control sensor in the form of a bioelectric control sensor containing sequentially electrodes, a preliminary amplifier, detector and filter, as well as introduce two limit switches with the possibility of providing protect the drive from overload at the time the actuator arrives at the stop in the extreme positions of the mechanism, while the bioelectric control sensor Phenomenon to place on a receiving sleeve.

Сущность изобретения поясняется рисунками, где на фиг. 1 представлена конструктивная схема протеза голени с активным исполнительным механизмом голеностопного шарнира, а на фиг. 2 представлена функциональная структурная схема канала управления тыльным сгибанием стопы.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a structural diagram of a shank prosthesis with an active actuator of the ankle joint, and in FIG. 2 is a functional block diagram of the back flexion control channel.

Протез голени (фиг. 1), содержит приемную гильзу 1, стойку 2 голени, активную искусственную стопу 3, содержащую мотор-редуктор 4 тыльного сгибания с самотормозящим механизмом и датчик 5 угла сгибания в голеностопном шарнире. Кроме того на приемной гильзе 1 закреплены датчик 6 биоэлектрического управления, электронный блок 7 управления и источник 8 электропитания.The lower leg prosthesis (Fig. 1), contains a receiving sleeve 1, ankle stand 2, an active artificial foot 3, which contains a back flexion gear motor 4 with a self-braking mechanism and an ankle bend sensor 5. In addition, a bioelectric control sensor 6, an electronic control unit 7 and a power supply 8 are fixed to the receiving sleeve 1.

Система управления тыльным сгибанием активной искусственной стопы (фиг. 2) содержит датчик 6 биоэлектрического управления тыльным сгибанием искусственной стопы, имеющий в своем составе электроды 9 съема электрического потенциала с сокращающейся мышцы тыльного сгибания, предварительный усилитель 10, детектор 11 и фильтр 12, соединенный со входом электронного блока 7 управления, содержащего сумматор 13, соединенный с двумя импульсными преобразователями 14, 15, соединенные с широтноимпульсным усилителем 16 мощности, который соединен с мотор-редуктором 4 искусственной активной стопы 3, содержащей, исполнительный механизм 17, соединенный с датчиком 5 угла сгибания стопы в голеностопном шарнире и с двумя концевыми выключателями 18, 19. причем источник питания 8 соединен: с датчиком 6 биоэлектрического управления, электронным блоком 7 и искусственной стопой 3.The back flexion control system of the active artificial foot (Fig. 2) contains a bioelectric back flexion control sensor 6 of the artificial foot, comprising electrodes 9 for removing electric potential from the contracting muscle of the back flexion, a preliminary amplifier 10, a detector 11, and a filter 12 connected to the input an electronic control unit 7 containing an adder 13 connected to two pulse converters 14, 15 connected to a pulse-width power amplifier 16, which is connected to a motor-red torus 4 of the artificial active foot 3, comprising an actuator 17 connected to the sensor 5 of the angle of flexion of the foot in the ankle joint and with two limit switches 18, 19. wherein the power source 8 is connected to: the sensor 6 of the bioelectric control, the electronic unit 7 and the artificial foot 3.

Использование протеза голени осуществляется следующим образом. Оператор-инвалид фантомно (в режиме сохраненного стереотипа движения нижней конечности) выполняет тыльное сгибание стопы 3. Электрический потенциал сокращающейся мышцы сгибателя стопы поступает на датчик 6 биоэлектрического управления. При этом электроды 9 съема биоэлектрического сигнала, установленные, на поверхности мышцы сгибателя стопы, регистрируют величину электрического потенциала сокращающейся мышцы, представляющего собой исходный сигнал управления, который направляется на вход предварительного усилителя 10. Далее сигнал проходит детектирование (детектор 11) и фильтрацию (фильтр 12), после чего, обработанный таким образом сигнал управления поступает на вход сумматора 13. Далее, в зависимости от полярности, сигнал поступает на вход импульсного преобразователя 14 или 15 и затем на вход широтно-импульсного усилителя 16 мощности. После усиления сигнал поступает на мотор-редуктор 4, нагружаемый исполнительным механизмом 17. В процессе функционирования исполнительный механизм 17 приводит в движение датчик 5 отрицательной обратной связи. Роль датчика 5 обратной связи устройства выполняет потенциометрический датчик, установленный соосно с осью тыльного сгибания активной искусственной стопы. При этом статор датчика 5 неподвижно соединен с основанием стопы 3, а ротор датчика соединен с подвижной частью исполнительного механизма 17. Сигнал с датчика 5 поступает на сумматор 13, где сравнивается (вычитается) с обработанным задающим сигналом электродов 9. Полученная разница (положительная или отрицательная) является сигналом управления системы управления стопой 3.The use of the lower leg prosthesis is as follows. The disabled operator phantomly (in the mode of stereotype of movement of the lower limb saved) performs back flexion of the foot 3. The electric potential of the contracting muscle of the flexor of the foot is supplied to the sensor 6 bioelectric control. In this case, the electrodes 9 of the bioelectric signal removal, installed on the surface of the flexor muscle of the foot, record the value of the electric potential of the contracting muscle, which is the initial control signal, which is sent to the input of the preamplifier 10. The signal is then detected (detector 11) and filtered (filter 12 ), after which the control signal processed in this way is fed to the input of the adder 13. Further, depending on the polarity, the signal is fed to the input of the pulse converter 14 and and 15 and then input to PWM power amplifier 16. After amplification, the signal is supplied to the gear motor 4, loaded by the actuator 17. During operation, the actuator 17 drives the negative feedback sensor 5. The role of the feedback sensor 5 of the device is performed by a potentiometric sensor mounted coaxially with the axis of back bending of the active artificial foot. In this case, the stator of the sensor 5 is fixedly connected to the base of the foot 3, and the rotor of the sensor is connected to the movable part of the actuator 17. The signal from the sensor 5 is fed to the adder 13, where it is compared (subtracted) with the processed reference signal of the electrodes 9. The resulting difference (positive or negative ) is the control signal of the foot control system 3.

В зависимости от полярности суммарного сигнала выполнятся прямое или реверсивное движение исполнительного механизма 17. Чем больше величина рассогласования сигналов, тем больше сигнал управления объектом регулирования, тем больше скорость движения исполнительного механизма 17. Когда суммарный сигнал будет равен нулю исполнительный механизм 17 остановится. Другими словами, если сигнала с датчика 6 биоэлектрического управления не будет, то система автоматически приводит исполнительный механизм 17 в положение, когда сигналы датчиков 6 и 5 сравняются. То есть, пока есть сигнал отличный от нуля есть движение исполнительной части. Исполнительный механизм 17 отслеживает величину сигнала датчика 6. При необходимости может быть выполнено масштабирование передачи движения средствами электронной системы. Ограничение хода исполнительного механизма 17 может выполняться с помощью микровыключателей 18, 19 или посредством введения системы защиты по току в момент прихода исполнительного механизма 17 на упор в крайних положениях механизма.Depending on the polarity of the total signal, direct or reverse movement of the actuator 17 will be performed. The larger the signal mismatch, the greater the control signal of the controlled object, the greater the speed of the actuator 17. When the total signal is zero, the actuator 17 will stop. In other words, if there is no signal from the bioelectric control sensor 6, the system automatically brings the actuator 17 to a position where the signals of the sensors 6 and 5 are equal. That is, as long as there is a signal other than zero, there is movement of the executive part. The actuator 17 monitors the signal value of the sensor 6. If necessary, scaling of the transmission of motion by means of an electronic system can be performed. The stroke limit of the actuator 17 can be performed using microswitches 18, 19 or by introducing a current protection system at the time the actuator 17 comes to an abutment in the extreme positions of the mechanism.

Положительный эффект предложенного изобретения заключается в следующем. При использовании предложенного протеза голени достигается удобство пользования за счет обеспеченния физиологичности ходьбы на протезе в статике и динамике благодаря возможности в естественном режиме выполнять тыльное сгибание стопы полностью сохраняя антропоморфность движения при переносе стопы над поверхностью опоры.The positive effect of the proposed invention is as follows. When using the proposed lower leg prosthesis, ease of use is achieved by providing physiological walking on the prosthesis in statics and dynamics due to the ability to perform back flexion of the foot in a natural mode while fully preserving the anthropomorphism of movement when moving the foot over the support surface.

Claims

A shin prosthesis comprising a receiving sleeve, a shank stand, a foot, in which a flat curved spring forms the forefoot, and the back of the foot is supplemented by an elastic plate fixed to the supporting surface, an active actuator of the ankle hinge, containing the body of the back flexion hinge, in which the foot bracket is pivotally mounted by means of the rear bending axis fixedly connected to it, and also fixedly connected to the front part of the foot, while the body itself is installed double-acting overtaking clutch with a split disc, the cage of which is fixedly mounted in the housing, and on the one hand the rear bending axis is fixedly connected to the clutch cam installed between its half-disks, and the coupling leash covering half-disks is fixedly connected to the output shaft of the electric motor-reducer back bending, the flange of which is connected to the body, while the half-discs are spring-loaded and pressed to the clip, in addition, the axis of the back bending on the other side is still connected to the rotor yes a corner of the back flexion angle, and its stator is attached to the body, in addition, containing an electronic unit for the back flexion control channel, in which the back flexion control sensor and the feedback sensor in the form of a back flexion angle sensor are connected to the input of the adder, at the output of which the first and the second pulse converters connected to a power amplifier, the output of which is connected to the gear motor of the electric drive back flexion, connected to the actuator rear flexion of the foot, p moreover, the electronic control unit and the power source are mounted on the receiving sleeve, characterized in that the back flexion control sensor is made in the form of a bioelectric control sensor containing in series electrodes, a pre-amplifier, a detector and a filter, as well as two end circuit breaker with the ability to protect the drive from overload at the time the actuator arrives at the stop in the extreme positions of the mechanism, while the sensor bioelectric control Lenia is placed on the sleeve.