Одноосный искусственный коленный сустав с замком

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к экзопротезам коленного сустава. Искусственный коленный сустав содержит бедренную часть с элементами модульного крепления приемной гильзы бедра и голенную часть с элементами крепления голени, установленные на оси вращения, и замковый механизм, включающий подпружиненную защелку и гнездо с цилиндрическими поверхностями. Защелка представляет собой протяженный элемент, один конец которого установлен на дополнительной оси, параллельной оси вращения и закрепленной в бедренной части, а другой конец, имеющий цилиндрическую поверхность, подпружинен в сторону запирания, для чего в бедренной части установлена пружина сжатия. Величины радиусов цилиндрической поверхности защелки R₁ и гнезда R₂ удовлетворяют условию: R₁=0,3-0,5R; R₂=0,7-0,9R, где R - расстояние от линии контакта цилиндрических поверхностей до оси вращения защелки. Плоскость, проходящая через линию контакта цилиндрических поверхностей и ось вращения защелки, составляет с плоскостью, перпендикулярной к цилиндрическим поверхностям и проходящей через линию их контакта, угол α, величина которого удовлетворяет условию 0≤α<0,4ϕ, где ϕ - угол трения между соприкасающимися поверхностями. Изобретение позволяет обеспечить безлюфтовое запирание сустава, не зависящее от степени износа его трущихся поверхностей. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к искусственным коленным суставам, и может быть использовано при протезировании нижних конечностей.

Наиболее простыми по конструкции, надежными в эксплуатации и обеспечивающими полную подкосоустойчивость являются одноосные ИКС с замковым устройством, в силу чего они нашли широкое распространение при протезировании нижних конечностей (Конструкции протезно-ортопедических изделий, п/р А.П.Кужекина, М.: “Легкая и пищевая промышленность”, 1984, с.78-79). Одноосные ИКС с замковым устройством содержат бедренную и голенную части, соединенные осью и имеющие замковый механизм с ручным, как правило, дистанционным, управлением. Бедренная часть при изготовлении протеза соединяется с приемной гильзой бедра, а голенная часть - с искусственной голенью. Замковый механизм должен обеспечивать надежную фиксацию коленного узла в разогнутом положении протеза.

Известно большое количество конструкций замковых механизмов. Так, описан ИКС, замковый механизм которого расположен на его наружной стороне и выполнен в виде сектора, установленного с возможностью вращения на оси и подпружиненного к сектору зуба, расположенного с возможностью вращения на другой оси. Зуб выполнен на рычаге, соединенном с тягой для дистанционного управления замком (RU 2035900 С1, 27.05.1995).

В другом механизме ИКС (US 4756713, 12.07.1988) замковое устройство имеет управляемый посредством троса плоский рычаг и плоский паз с заходным скосом под этот рычаг, размещенные на разных частях ИКС. Замковое устройство (JP 2000271158, 03.10.2000) представляет собой подпружиненную защелку, входящую в специальное гнездо, ось защелки расположена перпендикулярно оси вращения ИКС.

Замковый механизм ИКС (US 4756712, 12.07.1988) - ближайший аналог - представляет собой подпружиненную защелку, входящую в специальное гнездо. Защелка установлена на бедренной части, а гнездо выполнено в теле голенной части. Ось защелки параллельна геометрической оси ИКС.

Принципиальным недостатком конструкции указанных устройств, в том числе ближайшего аналога, является появление люфта в замковом механизме при достаточно интенсивной и длительной эксплуатации.

Задачей настоящего изобретения является создание компактной, легкой и удобной для инвалида конструкции ИКС с замковым механизмом, обеспечивающим безлюфтовое запирание, не зависящее от степени износа трущихся поверхностей.

Технический результат - повышение надежности при длительной эксплуатации - обеспечивается тем, что искусственный коленный сустав содержит бедренную часть с элементами модульного крепления приемной гильзы бедра и голенную часть с элементами крепления голени, установленные на оси вращения, замковый механизм, включающий размещенные на бедренной и голенной частях подпружиненную защелку и гнездо. Запирающая часть замкового механизма образована цилиндрическими поверхностями защелки и гнезда, геометрические оси которых параллельны оси вращения и расположены в плоскости, перпендикулярной к цилиндрическим поверхностям и проходящей через линию их контакта. Защелка представляет собой протяженный элемент, один конец которого установлен на дополнительной оси, параллельной оси вращения и закрепленной в бедренной части, а другой конец, имеющий цилиндрическую поверхность, подпружинен в сторону запирания, для чего в бедренной части установлена пружина сжатия.

Величины радиусов цилиндрической поверхности защелки R₁ и гнезда R₂ удовлетворяют условию: R₁=0,3-0,5R; R₂=0,7-0,9R, где R - расстояние от линии контакта цилиндрических поверхностей до оси вращения защелки. Плоскость, проходящая через линию контакта цилиндрических поверхностей и ось вращения защелки, составляет с упомянутой плоскостью, перпендикулярной к цилиндрическим поверхностям и проходящей через линию их контакта, угол α, величина которого удовлетворяет условию 0≤α<0,4ϕ, где ϕ - угол трения между соприкасающимися поверхностями.

Сустав может характеризоваться тем, что гнездо замкового механизма выполнено в отдельной детали, прикрепляемой к голенной части, а также тем, что пружина сжатия размещена в направляющем стакане, установленном в отверстии элемента модульного крепления приемной гильзы бедра.

Сустав, кроме того, может характеризоваться тем, что элемент модульного крепления приемной гильзы бедра расположен в бедренной части с возможностью поворота вокруг своей оси с последующей фиксацией, а также и тем, что защелка снабжена цапфой для присоединения троса дистанционного управления.

Дополнительный технический результат состоит в обеспечении инвалида звуковой сигнализацией о факте запирания ИКС.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где на фиг.1 представлена конструкция ИКС в разрезе, в закрытом положении;

на фиг.2 - то же, что на фиг.1, разрез по А-А;

на фиг.3 - то же, что на фиг.1, в раскрытом положении;

на фиг.4 - схема сил, действующих в замковом механизме;

на фиг.5 - ИКС в процессе запирания.

На фиг.1-3 подробно раскрывается конструкция патентуемого ИКС с замковым механизмом. Искусственный коленный сустав содержит две составные части - бедренную 10 и голенную 12, установленные на оси 14. Бедренная часть 10 включает корпус 16 и опору 18. Замковый механизм 19 включает защелку 20, расположенную на дополнительной оси 22 между проушинами 24 корпуса 16. Защелка 20 имеет цапфу 26 с канавкой 28 для крепления троса 30 дистанционного управления. Оси 14 и 22 параллельны между собой.

Ответная часть замкового механизма 19 - гнездо 32 - выполнено в отдельной детали 34, прикрепленной к голенной части 12.

Опора 18 включает стандартные элементы для модульного крепления приемной гильзы бедра: опорную площадку 36 и пирамидку 38, а также цилиндрический хвостовик 40, установленный в отверстии корпуса 16. В отверстии хвостовика 40 помещена пружина 42 сжатия, действующая на защелку 20 через направляющий стакан 44.

Голенная часть 12 состоит из корпусной детали 46, в пазу которой закреплена посредством болта 48 отдельная деталь 34, в которой выполнено гнездо 32 замкового механизма. Опорная площадка 50 модульного крепления голени выполнена в корпусной детали 46, а пирамидка 52 представляет собой самостоятельную деталь с резьбой под болт 48. Для регулирования положения гнезда 32 относительно защелки 20 при сборке и настройке изделия имеется зазор 54 для размещения регулировочных пластин и поджимной винт 56, установленный в стенке корпусной детали 46.

Защелка 20 представляет собой протяженный элемент с утолщениями по концам. Со стороны оси 22 защелка имеет хвостовик 58, предназначенный для ограничения вращения защелки при переустановке цапфы 26 под правую или левую ногу. На корпусе 16 в зоне контакта с упорной поверхностью 60 голенной части 12 установлен упругий элемент 62.

Принцип запирания замка поясняется на фиг. 4. Показан вертикальный разрез замкового механизма (в закрытом состоянии) секущей плоскостью, перпендикулярной фронтальной плоскости, и приведена упрощенная схема действующих сил. Все линии, плоскости и цилиндрические поверхности, описываемые ниже, являются перпендикулярными плоскости разреза и проектируются на нее в виде точек, линий и окружностей соответственно. На схеме использованы обозначения: O₁, R₁ - ось и радиус цилиндрической поверхности защелки; O₂, R₂ - ось и радиус цилиндрической поверхности гнезда, S - линия контакта соприкасающихся цилиндрических поверхностей защелки и гнезда, SS₁ - предполагаемая траектория перемещения линии контакта S по мере износа соприкасающихся поверхностей, О - геометрическая ось вращения защелки, R - радиус траектории перемещения контактирующей линии S защелки при ее вращении вокруг оси О, величина которого равна расстоянию между линией S и осью О. Оси O₁ и O₂ цилиндрических поверхностей расположены в плоскости, перпендикулярной к цилиндрическим поверхностям и проходящей через линию S их контакта.

Экспериментально установлено, что для обеспечения надежного запирания с запасом на износ необходимо, чтобы величины радиусов цилиндрических поверхностей защелки R₁ и гнезда R₂ удовлетворяли условию: R₁=0,3-0,5R; R₂=0,7-0,9R.

При этом ось О вращения защелки может располагаться в той же плоскости, что и оси O₁, O₂ цилиндрических поверхностей. Однако для повышения запаса на износ и облегчения установки защелки и гнезда (при сборке ИКС) в номинальное исходное положение, ось О может быть отнесена от указанной плоскости, на расстояние, определяемое величиной угла α (см. фиг.4), допустимые значения которого устанавливается исходя из следующих соображений.

Когда при закрытом замке на протез действуют силы, сгибающие протез, гнездо действует на защелку по линии S с силой Р, направленной перпендикулярно соприкасающимся цилиндрическим поверхностям. Сила Р может быть разложена на две составляющие, одна из которых Р_н - нормальна к цилиндрической поверхности, образованной перемещением рабочей поверхности защелки при ее вращении вокруг оси О. Другая составляющая - сила F действует в перпендикулярном направлении и выталкивает защелку из гнезда, преодолевая силу трения F_тp (на фиг.4 не показана). Из схемы на фиг. 4 видно, что составляющая F=tgα•Р_н (1). Защелка не выскользнет из гнезда, если величина силы F будет меньше, чем величина силы трения Р_тр между защелкой и гнездом F<F_тp. Известно, что F_тр=f•Р_н, где f - коэффициент трения или, что то же самое, F_тр=tgϕ•Р_н (2), где ϕ - угол трения.

Для выполнения требования F<F_тp из формул (1) и (2) следует, что tgα<tgϕ или α<ϕ. Практически для надежного запирания угол α можно выбирать в диапазоне 0≤α<0,4ϕ.

Испытание опытных образцов с углом α=2° для пары трения сталь по стали (табличное значение f=0,15, что соответствует ϕ=8,5°, см., например, Краткий справочник машиностроителя //Под ред. С.А.Чернавского, М.: Машиностроение, 1966, с.30) показало, что достигается надежное запирание ИКС при длительной эксплуатации.

Опора 18 с элементами 36, 38 модульного крепления приемной гильзы бедра установлена с возможностью поворота вокруг своей оси с последующей фиксацией. Фиксация осуществляется втулками 64 и винтами 66 за кольцевую проточку, выполненную на цилиндрическом хвостовике 40.

Устройство функционирует следующим образом. Во время ходьбы на протезе при закрытом состоянии замка цилиндрическая поверхность защелки 20 находится в соприкосновении по линии S контакта с цилиндрической поверхностью гнезда 32. Отпирание замка производится поднятием защелки 20 через цапфу 26 и трос дистанционного управления. При этом защелка 20 сжимает пружину 42, выходит из контакта с цилиндрической поверхностью гнезда, вследствие чего ИКС становится свободным для открывания.

При закрывании ИКС (фиг.5) голенная часть 12 поворачивается относительно бедренной части 10 по направлению 68, при этом упорная поверхность 60 поднимает защелку 20 вверх, после чего под действием пружины 42 защелка соскальзывает с поверхности 60 и ее цилиндрическая поверхность оказывается в гнезде 32. Соскальзывание защелки 20 в гнездо 32 сопровождается отчетливым щелчком, сигнализирующим инвалиду о факте запирания ИКС.

При ходьбе на протезе с отключенным замком ИКС функционирует как обычный одноосный ИКС без замка.

В процессе эксплуатации, по мере износа соприкасающихся поверхностей, линия контакта будет перемещаться по траектории SS₁, обеспечивая при этом безлюфтовое запирание ИКС.

1. Искусственный коленный сустав, содержащий бедренную часть с элементами модульного крепления приемной гильзы бедра и голенную часть с элементами крепления голени, установленные на оси вращения, замковый механизм, включающий размещенные на бедренной и голенной частях подпружиненную защелку и гнездо, отличающийся тем, что запирающая часть замкового механизма образована цилиндрическими поверхностями защелки и гнезда, геометрические оси которых параллельны оси вращения и расположены в плоскости, перпендикулярной цилиндрическим поверхностям и проходящей через линию их контакта, защелка представляет собой протяженный элемент, один конец которого установлен на дополнительной оси, параллельной оси вращения и закрепленной в бедренной части, а другой конец, имеющий цилиндрическую поверхность, подпружинен в сторону запирания, для чего в бедренной части установлена пружина сжатия, при этом величины радиусов цилиндрической поверхности защелки R₁ и гнезда R₂ удовлетворяют условию R₁=0,3-0,5R; R₂=0,7-0,9R, где R - расстояние от линии контакта цилиндрических поверхностей до оси вращения защелки, плоскость, проходящая через линию контакта цилиндрических поверхностей и ось вращения защелки, составляет с упомянутой плоскостью, перпендикулярной цилиндрическим поверхностям и проходящей через линию их контакта, угол α, величина которого удовлетворяет условию 0≤α<0,4ϕ, где ϕ - угол трения между соприкасающимися поверхностями.

2. Сустав по п.1, отличающийся тем, что гнездо замкового механизма выполнено в теле отдельной детали, прикрепляемой к голенной части.

3. Сустав по п.1, отличающийся тем, что пружина сжатия размещена в направляющем стакане, установленном в отверстии элемента модульного крепления приемной гильзы бедра.

4. Сустав по п.3, отличающийся тем, что элемент модульного крепления приемной гильзы бедра расположен в бедренной части с возможностью поворота вокруг своей оси с последующей фиксацией.

5. Сустав по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что защелка снабжена цапфой для присоединения троса дистанционного управления.