Шарнирное сочленение

 

Использование: изобретение относится к медицинской технике, а именно, к травматологии и ортопедии. Изобретение позволяет получить технический результат, заключающийся в том, что обеспечивается образование зоны фиксации на любой стадии углового перемещения шарнирного узла со свободой одностороннего углового перемещения и повышается надежность функционирования механизма фиксации, расширяется область применения шарнирного соединения. Существо изобретения: шарнирное сочленение содержит каркас 1, состоящий из верхнего и нижнего рычагов с элементами крепления к конечности, шарнирный узел с механизмом фиксации, кинематически соединенный с рычагами 3, при этом шарнирный узел состоит из обоймы и ступицы, между которыми расположены цилиндрические ролики 11 с пружинами 12, отжимных пружин, взаимодействующих с осью ступицы, имеющую возможность перемещения вдоль пазов корпуса, обойма имеет возможность зацепления с полостью внутри корпуса шарнирного узла, верхний рычаг кинематически связан со ступицей, нижний рычаг соединен одним концом с корпусом шарнирного узла, а другим шарнирно соединен с опорной платформой, имеющей заданный угол перемещения относительно этого рычага. Зацепление обоймы с полостью внутри корпуса может быть выполнено фрикционным 20 или зубчатым 21. 2 з.п.ф-лы. 3 ил.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно, к травматологии и ортопедии.

Известны муфты (механизмы) свободного хода, содержащие обойму и ступицу между которыми расположены цилиндрические ролики, на которые воздействуют пружины [1] При перемещении обоймы относительно ступицы в сторону действия пружин цилиндрические ролики заклиниваются между обоймой и ступицей, чем обеспечивается передача вращательного момента между этими деталями. При относительном вращении в противоположном направлении обоймы относительно ступицы происходит расклинивание роликов, и передача момента прекращается.

Совпадающими с предлагаемым устройством признаками являются обойма и ступица, между которыми расположены цилиндрические ролики, на которые воздействуют пружины.

Данное устройство не решает поставленной задачи ввиду того, что используемых в нем конструктивных элементов было недостаточно для кинематической увязки этих механизмов с конструктивными элементами экзоскелетонов.

Известно также устройство для шагового перемещения, содержащее каркас с элементами крепления к туловищу, шарнирно связанные с каркасом две пары рычагов, каждая из которых состоит из соединенных между собой посредством шарнирных узлов тазобедренного и голеностопного рычагов с элементами крепления к ногам, шарнирно связанные со свободными концами голеностопных рычагов опорные платформы для обуви. Каждый из шарнирных узлов, соединяющий рычаги, снабжен механизмом фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением в виде сегмента с наклонными зубьями и взаимодействующей с ними собачкой и средством управления собачкой [2] Совпадающими с предлагаемым устройством признаками являются каркас с элементами крепления, шарнирно связанные с каркасом пары рычагов, каждая из которых состоит из соединенных между собой посредством шарнирных узлов верхнего и нижнего рычагов с элементами крепления к конечностям и шарнирно связанные со свободными концами нижних рычагов опорные платформы. Шарнирные узлы, соединяющие рычаги, снабжены механизмом фиксации шарнирного узла со средствами управления им.

Устройство обеспечивает поддержание и передвижение пользователя, но не обладает достаточным удобством применения, так как механизм фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением усложнен и имеет недостаточное количество зон фиксации. Кроме того, он имеет ограниченное применение, так как предназначен для использования только в качестве шарниров экзоскелетонов, расположенных на уровне коленного сустава.

Ближайшим аналогом является усовершенствованное устройство искусственной ноги с коленным суставом, содержащее каркас, состоящий из верхнего и нижнего рычагов с элементами крепления к конечности, стабилизированный механизм коленного сустава, в состав которого входит полый тормозной барабан и расположенная внутри этого барабана тормозная колодка, причем барабан и колодка кинематически соединены с различными рычагами, а колодка может входить в фрикционное зацепление с внутренней поверхностью барабана для создания сопротивления изгибу ноги, когда последняя находится под нагрузкой [3] Устройство препятствует взаимному складыванию рычагов, когда они находятся под нагрузкой в зависимости от направления их углового перемещения, что сужает область его применения.

Общими с предлагаемым техническим решением признаками являются каркас, состоящий из верхнего и нижнего рычагов с элементами крепления к конечности, шарнирный узел с механизмом фиксации, кинематически соединенный с рычагами и предназначенный для создания сопротивления взаимному складыванию рычагов, когда они находятся под нагрузкой. В основу изобретения поставлена задача создать такое устройство, в котором новое конструктивное выполнение механизма фиксации шарнирного узла и рычагов позволяет получить шарнирное сочленение с расширенными функциональными возможностями и областями применения.

Поставленная задача решается устройством, содержащим каркас, состоящий из верхнего и нижнего рычагов с элементами крепления к конечности, шарнирный узел с механизмом фиксации, кинематически соединенный с рычагами, при этом шарнирный узел состоит из обоймы и ступицы, между которыми расположены цилиндрические ролики с пружинами, отжимных пружин, взаимодействующих с осью ступицы, имеющую возможность перемещения вдоль пазов корпуса, обойма имеет возможность зацепления с полостью внутри корпуса шарнирного узла, верхний рычаг кинематически связан со ступицей, нижний рычаг соединен одним концом с корпусом шарнирного узла, а другим шарнирно соединен с опорной платформой, имеющей заданный угол перемещения относительно этого рычага. Зацепление обоймы с полостью внутри может быть фрикционным или зубчатым Отличительными признаками предлагаемого устройства является то, что шарнирный узел состоит из обоймы и ступицы, между которыми расположены цилиндрические ролики с пружинами, отжимных пружин, взаимодействующих с осью ступицы, имеющей возможность перемещения вдоль пазов корпуса, обойма имеет возможность зацепления с полостью внутри шарнирного узла, верхний рычаг кинематически связан со ступицей, нижний рычаг соединен одним концом с корпусом шарнирного узла, а другим шарнирно соединен с платформой, имеющей заданный угол перемещения относительно этого рычага. Зацепление обоймы с полостью внутри корпуса может быть фрикционным или зубчатым.

Совокупность вышеперечисленных признаков предлагаемого устройства позволяет получить технический результат, заключающийся в том, что обеспечивается образование зоны фиксации на любой стадии углового перемещения шарнирного узла со свободой одностороннего углового перемещения и повышается надежность функционирования механизма фиксации, расширяется область применения шарнирного соединения.

На фиг. 1 изображена кинематическая схема устройства с фрикционным зацеплением для пассивного экзоскелетона нижних конечностей; на фиг.2 механизм фиксации шарнирного узла, вид сбоку; на фиг.3 кинематическая схема устройства с зубчатым зацеплением для экзоскелетона нижних конечностей.

Устройство (см. фиг. 1 3) содержит каркас в виде опорной платформы 1, расположенный внутри обуви 2, элементы крепления к конечности, верхний рычаг 3, шарнирный узел 4 с механизмом фиксации, нижний рычаг 5, корпус 6 нижнего шарнира с упором 7, осью шарнира 8 и основанием шарнира 9, механизм фиксации шарнирного узла, роликов 11, пружин 12, обоймы 13, внешняя цилиндрическая сторона которой выполняет роль тормозного барабана 14, ступицы 15, оси 16 с выступом 17, пружины 18 (фиг.1)полости 19 корпуса с фрикционной накладкой 20, которая может быть заменена зубчатым зацеплением 21 с обоймой.

Работа устройства следующая. При использовании шарнирного соединения в пассивном экзоскелетоне нижних конечностей туловище и конечности пользователя крепятся к экзоскелетону в тазобедренной области элементами крепления (на седле и к щиткам в надколенный зоне), а в стельку обуви 2 упираются нижние рычаги 4 с опорной платформой 1. При вертикальном расположении туловища и расслаблении мышц ног, масса тела пользователя воздействует через седло, шарнирно соединенное с верхними рычагами 3. При этом происходит складывание в шарнирном узле 4 с механизмом фиксации, верхних и нижних рычагов 3, 5 и в нижнем шарнире с упором 7 -нижних рычагов 5 и опорных платформ 1. Взаимное перемещение верхних рычагов 3, 5 и опорных платформ 1 происходит до тех пор, пока упоры 7 нижних рычагов 5 не ограничат это перемещение. В результате создается жесткая опорная конструкция из опорной платформы 1 и нижнего рычага 5. В связи с тем, что верхний рычаг 3 жестко фиксируется щитками относительно тазобедренной частей ног, происходит перемещение вниз механизма фиксации шарнирного узла вдоль каждой из полостей 19 корпуса шарнирного узла 10. В дальнейшем тормозной барабан 14 обоймы 13 вступает во взаимодействие с фрикционной накладкой 20 полости 19 корпуса узла 10, и угловое перемещение обоймы 13 блокируется. Но в связи с тем, что механизм фиксации шарнирного узла обладает свойством муфт свободного хода, происходит незначительное угловое перемещение ступицы 15, и ролики 11 под действием сил трения и пружин 12 перемещаются и заклинивают ступицу 15 в обойме 13. Тем самым обеспечивается блокирование подвижности шарнирного узла. Такое перемещение верхнего рычага 3 с обоймой 13 относительно корпуса 10 шарнирного узла 4 возможно потому, что нижние части ног могут свободно перемещаться относительно конструкции из опорной платформы 1 и нижнего рычага 4. Таким образом, в результате возникающего заклинивания роликов 11 в шарнирных узлах 4 с механизмом фиксации блокируется возможность дальнейшего складывания верхних 3 и нижних 5 рычагов. Вся опорная конструкция экзоскелетона обретает жесткость, достаточную для удержания массы тела пользователя. Для обеспечения достаточной подкосоустойчивости шарнирного узла 4 с механизмом фиксации, он не должен превышать величину смещения центра тяжести, при опоре на конструкцию, за носок обуви. Для обеспечения возможности присоединения пользователя центр тяжести пользователя смещается за носок обуви, либо пользователь с помощью мышц стопы расправляет голеностопный шарнир и с помощью мышц ног частично разгружает шарнирные узлы 4 с механизмом фиксации. При этом уменьшается давление на шарнирные узлы 4 с механизмом фиксации и под действием усилия сжатия пружин 18 на выступающие концы оси 16 верхний рычаг 3 с механизмом фиксации шарнирного узла отодвигается от фрикционной накладки 20. Тем самым шарнирный узел 4 с механизмом фиксации разблокируется и становится возможным взаимное складывание верхних 3 и нижних 5 рычагов, т.е. осуществляется приседание. Фиксация выбранной глубины присоединения осуществляется повторным перенесением центра тяжести на стопу, что вновь позволяет создать жесткую опорную конструкцию экзоскелетона.

Таким образом, при вертикальном положении тела пользователя без осуществления шагового перемещения полностью разгружается скелетно-мышечный аппарат и лишь частично используются мышечные усилия для фиксирования подвижности в верхних и нижних суставах. При этом масса пользователя груза поддерживаются в тазобедренной областях на жестком каркасе, образованном каркасом в виде седла с элементами крепления, верхними 3 и нижними 5 рычагами и опорными платформами 1.

Работа устройства в динамике отличается тем, что свобода перемещения нижних конечностей пользователя достигается перенесением центра тяжести на опорную ногу и освобождения за счет этого опорной платформы 1 не опорной конечности. Соответственно, под действием усилия пружин 18, не опорная конструкция из нижнего 5, верхнего 2 рычагов и опорной платформы 1 разблокируется в шарнирном узле 4 с механизмом фиксации, обеспечивая тем самым свободу сгибания и перемещения выдвигаемой конечности. Вся масса тела пользователя, перенесенная на опорную ногу, обеспечивает блокирование подвижности шарнирного узла 4 с механизмом фиксации, расположенного на опорных элементах конструкции экзоскелетона. Как в том, так и в другом случаях работа механизмов блокирования и разблокирования подвижности шарнирных узлов не отличается от приведенной в разделе статики. Отличие в возможности распрямления шарнирных узлов 4 с механизмами фиксации под нагрузкой. Например, при движении вверх по лестнице. При этом, выдвигаемая нижняя конечность должна находиться под нагрузкой при вертикальном расположении нижнего рычага 5. Допускается наклон этого рычага до величины допустимого угла поворота в нижнем шарнире рычага 5. В этом случае достигается надежная подкосоустойчивость шарнирного узла 4 с механизмом фиксации и обеспечивается возможность распрямления его под нагрузкой за счет свойства односторонней подвижности шарнирного узла являющегося муфтой свободного хода. Разблокирование подвижности шарнирного узла 4 с механизмом фиксации под нагрузкой происходит за счет того, что при обратном вращательном движении ступицы 15 относительно обоймы 13 под действием сил трения ролики 11 перемещаются в сторону пружин 12 и расклинивают шарнирный узел 4.

Для достижения возможности приседания пользователя его центр тяжести смещается в сторону носков обеих ног, в результате происходит разгрузка шарнирных узлов 4 и становится возможным складывание нижних и верхних рычагов 5, 3 в этих узлах. При этом, скорость приседания регулируется усилием соответствующих мышц бедра и голени и всегда существует возможность отдыха на любой стадии подъема и приседания за счет возможности управления подвижностью шарнирных узлов 4 при смещении центра тяжести. На это требуется незначительное мышечное усилие. Значит и появляется возможность, например, медленного присоединения пользователя.

При перемещении вниз по лестнице эффект блокирования подвижности шарнирных соединений рычагов опорной конечности требует определенных мышечных усилий голени для того, чтобы разгрузить в требуемый момент шарнирный узел 4 опорной конечности. Но эти усилия также не значительны, если пользователь спускается спиной или боком как при спуске с стремянки. Для всех режимов перемещения существенным является повышенная надежность функционирования шарнирных узлов и их относительная бесшумность в работе.

При использовании вместо фрикционного зацепления обоймы 13 с полостью 19 корпуса 10 шарнирного узла 4 с механизмом фиксации зубчатого зацепления, зубья зубчатого зацепления 21 обеспечивают ступенчатую фиксацию неподвижности обоймы 13 относительно корпуса шарнирного узла, чем достигается повышение подкосоустойчивости шарнирного узла с механизмом фиксации для пассивного азоскелетона нижних конечностей.

Таким образом, по сравнению с известными техническими решениями, появилась возможность получить устройство экзоскелетон с повышенной надежностью, плавностью и регулируемостью фиксации механизма шарнирного узла и плавностью регулирования длины голеностопного и верхнего рычагов.

Формула изобретения

1. Шарнирное сочленение, содержащее каркас, состоящий из верхнего и нижнего рычагов с элементами крепления к конечности, шарнирный узел с механизмом фиксации, кинематически соединенный с рычагами, отличающееся тем, что шарнирный узел состоит из обоймы и ступицы, между которыми расположены цилиндрические ролики с пружинами, отжимных пружин, взаимодействующих с осью ступицы, имеющую возможность перемещения вдоль пазов корпуса, обойма имеет возможность зацепления с полостью внутри корпуса шарнирного узла, верхний рычаг кинематически связан со ступицей, нижний рычаг соединен одним концом с корпусом шарнирного узла, а другим шарнирно соединен с опорной платформой, имеющей заданный угол перемещения относительно этого рычага.

2. Сочленение по п.1, отличающееся тем, что зацепление обоймы с полостью внутри корпуса выполнено фрикционным.

3. Сочленение по п.1, отличающееся тем, что зацепление обоймы с полостью внутри корпуса выполнено зубчатым.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3