Активный протез нижней конечности с биоэлектрическим управлением

 

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 шарнирно 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 эмиттерным 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) s А 61 F 2/70

ГОСУДАРСТВЕН(ЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4600112/14 (22) 29.08.88 (46) 07,05.92. Бюл. ¹ 17 (75) Л.А. Максименко (53) 615.477.22:616-089.28 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1357019, кл. А 61 F 2/06, 1985.

Протезирование и протезостроение, вып. XVI. — М.; МСО РСФСР, 1965, с. 109118. (54) АКТИВНЫЙ ПРОТЕЗ НИЖНЕЙ КОНЕЧНОСТИ С БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ УПРАВ.ЛЕНИЕМ (57) 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„„ Ж „„1731210 А1 тивный протез содержит стопу 19, соединенную голеностопнь.м шарниром 20 через стойки 21 с дистальн им 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 шарнирно к дистальному хомуту 24 и образующие силовой привод. С обмоткой 14 соединена система 2 управления, включающая отводящие электроды 1, последовательно соединенные с усилителем биотоков, первым интегратором, задающим мультивибратором, дифференцирующим блоком, формирователем импульсов, первым блоком задержки, блоком управления и эмиттерным повторителем, к выходу которого подключена обмотка 14 тягового электромагнита 15. 1 з.п.ф-лы, 9 ил.

1731210

20

40

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к протеэостроению, Известен активный протез нижней конечности, содержащий гильзы бедра и голени, соединенные коленным шарниром, связанную с гильзой голени стопу и привод управления коленйым 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.3 — блок-схема блока управления; на фиг.4 — 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 уси.литель 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 эмиттерный 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 выполнены по схеме последовательного соединения ждущего мультивибраторэ, дифференцирующей цепи и второго ждущего мул ьтивибратора.

Активный протез работает следующим образом.

При движении, когда одна нога выносится вперед и совершает последующую постановку на опору, на отводящих электродах 1 начинает регистрироваться 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 напряжение нарастает по экспоненте и угасает также по экспоненте. Длительность экспоненты регулируется потенциометром

pg (фиг.5). Максимум нарастания регулируется величиной емкости Cz. Экспоненциальное напряжение 28 поступает на запуск управляемого задающего мультивибратора

5, на выходе которого генерируется импульсное напряжение 29, частота которого возрастает до максимума экспоненциального 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 управления. Этот блок является копией системы управления движением стопой, существующей в живой природе. Блок 9 управления имеет канал отрицательной обратной связи, образованный блоками 11 и

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

Наличие канала отрицательной обратной связи увеличивает быстродействие блока 9 управления, что благоприятно сказывается на процессе регулирования сгибания стопы 19. Кроме того, за счет того, что амплитуда импульсов в конце сгибания стопы 19 повышается, это обеспечивает двойной вид модуляции: частотную модуляцию и амплитудную модуляцию, Двойной вид модуляции значительно увеличивает помехозащищенность блока 9 управления, так как общая помехозащищенность равна произведению помехозэщищенностей отдель1731210

30

40

50

55 ных 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 эмиттерного 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 сердечника 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 управления, 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 уменьшается по амплитуде, снижая перерегули.рование. 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 сгибания 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 местности. 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 напряжения 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, отл ича ю щи йся 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 и. 1, о т л и ч à юшийся тем, что в нем элементы крепления выполнены в виде проксимального и оснащенного стойками дистального хомутов, при этом концы стоек подвижно связаны с голеностопным шарниром, 173 i210

17312 10

5/КТО//

/(/К7 г .7//

15м .

Составитель Н. Люкшин

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор .А. Ротман

Редактор .И. Дербак

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1527 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5