RU2847899C1 - Узел коленный - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к медицине и может быть использовано при протезировании нижних конечностей в протезах бедра. Узел коленный модульного протеза бедра содержит несущий корпус, шарнирно связанный с коленным блоком посредством установленного во внутренней полости гидравлического демпфера с блоком гидравлики с клапанами-золотниками, моторами-редукторами, датчиками положения клапанов-золотников. Также узел включает блок электроники, содержащий центральную плату управления с микроконтроллером, инерционные датчики, датчик положения шарнира, тензометрический модуль в нижней части несущего корпуса с датчиком нагрузки. При этом датчики положения клапанов-золотников демпфера связаны с центральной платой управления, выполненной с возможностью подачи управляющего сигнала на гидравлический демпфер, выполненный с возможностью интерпретации сигналов с датчиков микроконтроллером в блоке электроники. Сигналы представляют собой входные данные для алгоритма управления, реализованного во встроенном программном обеспечении микроконтроллера. Также плата выполнена с возможностью распознавания фазы ходьбы, режима работы, частоты шагов по данным с датчиков, разработки в алгоритме управления параметров положения клапанов-золотников и подачи управляющего сигнала на драйверы моторов-редукторов гидравлического демпфера для обеспечения регулировки протекания рабочей жидкости через клапаны-золотники в гидравлическом демпфере. Достигается обеспечение функционала коленного модуля на основе информации об углах положения и ускорениях узла коленного в пространстве по трём координатам, угле сгиба его коленного блока и уровне нагружения тензометрического модуля. 3 ил.

Description

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано при протезировании нижних конечностей в протезах бедра.

Известен коленный узел в составе протеза бедра, содержащий верхнюю и нижнюю опоры, связанные друг с другом посредством одного опорного шарнирного и двух вспомогательных шарнирных рычагов, установленных на внешней боковой поверхности узла, и внешний пневматический демпфер, связанный с верхней опорой шарнирно. Шток демпфера выполнен с возможностью поворота относительно продольной оси нижней опоры и непосредственно связан с верхней опорой, а его поршень подпружинен. Верхняя опора снабжена адаптером в виде усеченной пирамиды (RU, U1, № 208436, 2021).

Недостатком известного решения является его недостаточная надежность, обусловленная шарнирным соединением пневматического демпфера с нижней опорой и непараллельностью продольных осей нижней опоры и пневматического демпфера, в результате чего в концевой изогнутой части штока пневматического демпфера в процессе работы возникают поперечные нагрузки, снижающие прочностные характеристики штока.

Наиболее близким к заявленному изобретению является коленный модуль протеза нижней конечности, содержащий несущий корпус, корпус, роторный узел, демпфирующий гидроцилиндр, ось ротора, дросселей, электронного блока управления, элемент питания, нижний опорно-соединительный узел для присоединения протеза стопы к коленному модулю (RU, U1, № 214484, 2022).

Недостатком известного решения является наличие в системе управления только датчиков ускорения. Для обеспечения заявленного функционала коленного модуля необходима информация об углах положения коленного модуля в пространстве, а также угле сгиба его шарнирного узла. Очевидно, что недостающую информацию возможно получить косвенно, вычислив посредством интегрирования показаний с датчиков ускорения, но, в таком случае значительно возрастает ошибка определения положения коленного модуля в пространстве, что, в свою очередь, влияет на своевременность регулировки дросселей для обеспечения требуемого уровня сопротивления гидравлического демпфера. Для обеспечения естественности походки пациента необходимо как можно точнее определять фазу опоры на пятку и носок на каждом шаге пользователя. Основываясь только на показаниях датчиков ускорения, определение момента времени смены фаз опоры и переноса будет неточным, что, в свою очередь, негативно отразится на комфорте и безопасности пациента.

Заявленное изобретение направлено на обеспечение функционала коленного модуля на основе информации об углах положения и ускорениях узла коленного в пространстве по трём координатам, угле сгиба его коленного блока и уровне нагружения тензометрического модуля.

Указанный технический результат достигается тем, что в коленном узле, содержащем несущий корпус, несущий корпус, шарнирно связанный с коленным блоком посредством установленного во внутренней полости гидравлического демпфера с блоком гидравлики с клапанами-золотниками, моторами-редукторами, датчиками положения клапанов-золотников, блок электроники, содержащий центральную плату управления с микроконтроллером, инерционные датчики, датчик положения шарнира, тензометрический модуль в нижней части несущего корпуса с датчиком нагрузки, датчики положения клапанов-золотников демпфера связаны с центральной платой управления, выполненной с возможностью подачи управляющего сигнала на гидравлический демпфер, выполненный с возможностью интерпретации сигналов с датчиков микроконтроллером в блоке электроники, которые представляют собой входные данные для алгоритма управления, реализованного во встроенном программном обеспечении микроконтроллера, а также с возможностью распознавания фазы ходьбы, режима работы, частоты шагов по данным с датчиков, разработки в алгоритме управления параметров положения клапанов-золотников, и подачи управляющего сигнала на драйверы моторов-редукторов гидравлического демпфера для обеспечения регулировки протекания рабочей жидкости через клапаны-золотники в гидравлическом демпфере.

Заявленное устройство отличается от известного рядом существенных признаков, что свидетельствует о его соответствии условию «новизна».

Реализация заявленного изобретения не противоречит известным законам материального мира, что позволяет утверждать о его соответствии условию патентоспособности «промышленная применимость».

Поскольку из известных источников информации не известен прием выработки входных данных для алгоритма управления, для распознавания фазы ходьбы, режимы работы, частота шагов и разработки параметров положения клапанов-золотников с последующей подачей управляющего сигнала на драйверы моторов-редукторов гидравлического демпфера для обеспечения нужного поведения протеза, заявленное устройство соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

На фиг. 1 представлен общий вид протеза бедра с узлом коленным; на фиг. 2 – узел коленный, вид сбоку; на фиг. 3 – структурная схема системы управления узла коленного.

Узел коленный является составной частью модульного протеза бедра, предназначен восполнения функций утраченного коленного сустава и предназначен для людей с односторонней и двусторонней ампутациями бедра, травмой ноги или врожденными патологиями опорно-двигательного аппарата.

В состав гидравлического узла коленного входят три группы компонентов: механические узлы, электронные блоки и датчики:

- несущий корпус 1;

- коленный блок 2;

- гидравлический демпфер 3;

- несущий тензометрический модуль 4;

- блок электроники 5;

- источник питания 6;

- датчик положения шарнира 7;

- датчик угла наклона 8;

- датчик ускорения 9;

- датчик нагрузки 10;

датчик положения золотника сопротивления сгибанию 11;

датчик положения золотника сопротивления разгибанию 12;

- датчик температуры гидравлического демпфера 13.

Несущий корпус 1 имеет анатомическую форму и предназначен для восприятия всех типов нагрузок, приходящих от пользователя в штатных режимах эксплуатации.

Коленный блок (шарнир) 2 предназначен для обеспечения моноцентрического вращения узла коленного и присоединения к культеприемной гильзе через регулировочно-соединительный узел. Стандартная присоединительная пирамидка (не показана) позволяет совмещать узел коленный с универсальными модульными системами протезов нижних конечностей.

Гидравлический демпфер 3 предназначен для обеспечения различных режимов ходьбы, сопротивления в фазе опоры и демпфирования. Гидравлический демпфер 3 включает себя блок гидравлики с двумя клапанами-золотниками, два мотора-редуктора, два датчика положения золотников 11 и 12 и датчик температуры гидравлического демпфера 13, которые размещены на отдельной плате.

Конструктивно гидравлический демпфер 3 выполнен как цельное устройство, включающее в себя цилиндр, шток, поршень, компенсационную камеру, клапаны и элементы герметизации. Исполнительный механизм гидравлического демпфера 3 реализован на базе двух моторов-редукторов, обеспечивающие управление расходом рабочей жидкости в фазе сгибания и разгибания узла коленного.

Несущий тензометрический модуль 4 предназначен для обеспечения несущей способности узла коленного и определения фазы опоры пользователя по показаниям тензометрического датчика нагрузки 10. Датчик нагрузки 10, в основе которого лежат тензорезисторы, позволяет определить опору на носок или пятку, а также общий уровень нагружения узла коленного в зависимости от массы пациента.

Блок электроники 5 предназначен для размещения центральной платы управления с микропроцессором и датчиками угла наклона 8 и ускорения 9, а также для размещения датчика положения шарнира 7. В верхней части блока электроники 5 предусмотрено гнездо для кабеля зарядки USB Type-C. Инерциальные датчики 8 и 9 позволяют получить параметры о положении узла коленного в пространстве (абсолютный угол, угловую скорость и ускорение). Центральная плата управления реализована на базе микропроцессора, который обеспечивает сбор, анализ показаний датчиков, формирование и выдачу управляющих сигналов на исполнительный механизм гидравлического демпфера.

Источник питания 6 предназначен для обеспечения бесперебойного питания электронных элементов узла коленного.

Система управления предназначена для обеспечения функционирования узла коленного в различных режимах эксплуатации на основе информации с различных датчиков посредством управляющих сигналов, подаваемых на моторы-редукторы для обеспечения регулировки протекания рабочей жидкости через клапаны-золотники в гидравлическом демпфере.

Система управления состоит из следующих элементов:

блок электроники 5;

датчик положения шарнира 7;

датчик угла наклона 8;

датчик ускорения 9;

датчик нагрузки 10;

датчик положения золотника сопротивления сгибанию 11;

датчик положения золотника сопротивления разгибанию 12;

датчик температуры гидравлического демпфера 13.

Датчик положения шарнира 7 представляет собой датчик Холла, размещенный в верхней части блока электроники 5 узла коленного и находящийся в магнитном поле постоянного магнита, линейно перемещающегося при изменении угла шарнира. Таким образом, угол поворота шарнира коленного блока относительно несущего корпуса узла коленного однозначно определяется по интенсивности магнитного поля, измеряемого датчиком.

Датчик угла наклона 8, и датчик ускорения 9 размещены на плате управления в блоке электроники узла коленного и выполнены в виде интегральных микросхем. Датчик угла наклона 8 измеряет угловое положение узла коленного по двум осям координат относительно гравитационного поля. Датчик ускорения 9 даёт информацию о линейных ускорениях узла коленного по трём осям координат в месте размещения датчика.

Датчик нагрузки 10 построен по тензорезистивному принципу на двух тензорезисторах, размещенных на двух деформируемых элементах несущего тензометрического модуля. Изменение сопротивления тензорезисторов при деформации позволяет определить силу и момент нагрузки в фазе опоры.

Датчики положений клапанов-золотников сопротивления сгибанию и разгибанию 11, 12, представляют собой датчики Холла, находящиеся в магнитном поле постоянных магнитов, размещённых на вращающихся ступицах моторов-редукторов гидравлического демпфера. Измеряя интенсивность магнитного поля, датчики определяют углы поворота золотников.

Датчик температуры гидравлического демпфера 13, выполненный в виде интегральной микросхемы и находящийся в непосредственном тепловом контакте с корпусом гидравлического демпфера, позволяет получить информацию о температуре нагрева рабочей жидкости внутри гидравлического демпфера.

Плата управления, размещенная в блоке электроники 5, содержит микроконтроллер, к которому подключены сигналы датчиков и драйверы управления моторами-редукторами золотников. Встроенное программное обеспечение микроконтроллера реализует алгоритм управления узла коленного, который на основе показаний датчиков определяет параметры и режимы его работы и выдаёт необходимые сигналы на моторы-редукторы для регулировки изменения положений золотников.

Заявленный в настоящем изобретении узел коленный, сочетающий в себе моноцентрический коленный блок, гидравлический демпфер, несущий тензометрический модуль и систему управления, использующую прямые измерения физических величин с датчиков, обеспечивает высокие показатели энергоэффективности и естественности ходьбы, комфорта и безопасности пациента.

Claims (1)

1. Узел коленный модульного протеза бедра, содержащий несущий корпус, шарнирно связанный с коленным блоком посредством установленного во внутренней полости гидравлического демпфера с блоком гидравлики с клапанами-золотниками, моторами-редукторами, датчиками положения клапанов-золотников, блок электроники, содержащий центральную плату управления с микроконтроллером, инерционные датчики, датчик положения шарнира, тензометрический модуль в нижней части несущего корпуса с датчиком нагрузки, отличающийся тем, что датчики положения клапанов-золотников демпфера связаны с центральной платой управления, выполненной с возможностью подачи управляющего сигнала на гидравлический демпфер, выполненный с возможностью интерпретации сигналов с датчиков микроконтроллером в блоке электроники, которые представляют собой входные данные для алгоритма управления, реализованного во встроенном программном обеспечении микроконтроллера, а также с возможностью распознавания фазы ходьбы, режима работы, частоты шагов по данным с датчиков, разработки в алгоритме управления параметров положения клапанов-золотников и подачи управляющего сигнала на драйверы моторов-редукторов гидравлического демпфера для обеспечения регулировки протекания рабочей жидкости через клапаны-золотники в гидравлическом демпфере.