Ортопедическое техническое устройство
Изобретение относится к медицине. Ортопедическое техническое устройство с двумя укрепленными с возможностью качания относительно друг друга компонентами имеет генератор для выработки электрической энергии. Генератор приводится в действие через передающее устройство, которое передает относительное движение обоих компонентов относительно друг друга. Перед генератором включен аккумулятор энергии и передающее устройство. Передающее устройство допускает передачу силы только в одном направлении. В результате обеспечивается достаточное снабжение энергией и предельно легкая конструкция. 11 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение касается ортопедического технического устройства, в частности ортезов или протезов, с установленными относительно друг друга с возможностью качания компонентами.
Ортопедические технические устройства с двумя шарнирно соединенными и поворотными относительно друг друга компонентами выполнены для различных случаев использования с чувствительными элементами и исполнительными элементами. На основании данных, определенных чувствительным элементом, могут вноситься изменения в ортопедическое техническое устройство, например могут изменяться амортизирующие свойства шарнира в зависимости от определенных чувствительным элементом данных. Также возможно с помощью исполнительного элемента принимать поддерживающие движение меры или оснащать ортопедические технические устройства только чувствительными элементами, сигналы которых, например, могут беспроводным образом передаваться на приемник. За счет этого обеспечивается возможность контроля или проверки устройства в процессе эксплуатации для того или иного пользователя протеза, в результате чего при необходимости обеспечивается возможность более простых необходимых подгонок.
Как правило, чувствительные элементы, или исполнительные устройства, или передающие устройства снабжаются электрической энергий от аккумулятора, который обеспечивает бесперебойную эксплуатацию в течение установленного периода времени. Этот период времени охватывает обычный промежуток времени активности днем, в то время как в течение пассивного промежутка времени производится подзарядка аккумулятора. Использующиеся для эксплуатации ортопедических технических устройств аккумуляторы ограничены как по своим конструктивным размерам, так и по весу, так как в ортопедические технические устройства должны встраиваться по возможности имеющие небольшие размеры и легкие компоненты. Из этого следует ограниченная емкость заряда аккумулятора. По этой причине проблематично предусмотрение выходящих за рамки минимального оснащения дополнительных чувствительных элементов или исполнительных устройств или предусмотрение эффективной поддержки движения. Ограничены также временные параметры использования.
Из заявки US 5703474 известно преобразование механической силы в электрическую энергию и подзарядка с ее помощью аккумулятора. Известно также использование реакции опоры пола, возникающей при ходьбе под воздействием веса человека, для выработки пьезоэлектрической энергии. В издании IEEE-MICRO, брошюра от мая-июня 2001, стр. 30-42, описано пьезоэлектрическое устройство, которое нанесено на гибкую пленку на подошве ботинка. Выработанная энергия используется для подсветки подошвы ботинка. Электрическая энергия, которая может быть выработана с использованием пьезоэлектрического элемента на гибкой пленке, является минимальной и по этой причине не пригодна для использования в ортопедическом техническом устройстве.
Задачей настоящего изобретения является такое улучшение ортопедического технического устройства с двумя установленными с возможностью качания относительно друг друга компонентами и приданных им по мере надобности чувствительных элементов или исполнительных элементов, что обеспечивается достаточное снабжение энергией и достигается предельно легкая конструкция.
Эта задача решается с помощью ортопедического технического устройства с признаками пункта 1. Предпочтительные исполнения и усовершенствования изобретения описаны в дополнительных пунктах формулы изобретения.
Соответствующее изобретению ортопедическое техническое устройство с двумя установленными с возможностью качания относительно друг друга компонентами предусматривает, что в нем расположен генератор для выработки электрической энергии. Генератор приводится в действие с помощью передающего устройства, которое передает относительное движение обоих компонентов относительно друг друга. При движении ортопедического технического устройства, в частности при ходьбе, внутри шарниров кратковременно вырабатываются относительно высокие величины энергии в форме изгибающих моментов. Эти высокие значения энергии складываются из импульса при наступании и торможении массы тела и отношения плеч рычага на том или ином шарнире. Также в других протезных или ортезных устройствах, например для верхних конечностей или в поясничных ортезах, могут возникать высокие изгибающие моменты. Для обеспечения возможности использования этих кратковременных выбросов энергии предусмотрено передающее устройство, которое преобразует линейное или вращательное движение таким образом, что приводится в действие, предпочтительно вращаясь, генератор для выработки электрической энергии. Это приведение в действие предпочтительно осуществляется таким образом, что для приводных валов генератора возможно только одно направление вращения, чтобы минимизировать расходы на реверсирование направления вращения генератора. Таким же образом за счет приведения в движение только в одном направлении вращения может быть достигнуто более легкое нагружение аккумулятора энергии, в частности пружины, в частности ее натяжение и эффективное использование. Предпочтительно генератор выполнен как генератор переменного тока, который укреплен на ортезе или протезе и обеспечивает энергией потребляющие энергию компоненты, например исполнительные элементы или чувствительные элементы. При этом генератор работает по принципу динамо с электромагнитной индукцией и может быть альтернативно выполнен как генератор постоянного тока.
Дополнительное повышение равномерности выработки энергии генератором достигается за счет того, что перед генератором включен аккумулятор энергии. Аккумулятор энергии выполнен предпочтительно в виде пружины, в частности в виде спиральной или винтовой пружины, и служит для сглаживания или для улавливания импульсов движения. Такие пружины давно известны из области производства часов и обеспечивают, что генератор приводится в действие через редуктор с соответственно высоким числом оборотов, пока предварительное натяжение пружины является достаточно высоким. Так как с помощью аккумулятора энергии в движении удерживаются как редуктор, так и генератор, не возникает эффект трения сцепления или потери при трогании, что обеспечивает дальнейшее повышение коэффициента полезного действия. Для повышения коэффициента полезного действия и для выравнивания привода генератора перед ним предпочтительно включен редуктор, который преобразует относительно небольшие по продолжительности движения двух качающихся относительно друг друга компонентов в число оборотов, согласованное с генератором.
Усовершенствование изобретения предусматривает, что генератору придано запирающее устройство, которое запирает привод генератора, если уровень силы аккумулятора энергии слишком мал. За счет этого обеспечивается, что, например, при пружинном аккумуляторе энергии генератор начинает работать только начиная с минимального напряжения пружины. Это может осуществляться с помощью механической блокировки генератора, аккумулятора энергии или промежуточно включенного редуктора или с помощью электрической запирающей схемы, которая осуществляет его запирание, например схемы короткого замыкания.
Чтобы обеспечить постоянное приведение в движение генератора или аккумулятора энергии в неизменном направлении вращения, передающее устройство содержит по меньшей мере один механизм свободного хода, который блокирует передачу силы в определенном направлении вращения и допускает передачу силы только в другом, разрешенном направлении вращения. При альтернативных движениях, которые возникают, например, в шарнирных устройствах в рамках сгибания и вытяжения, таким образом и способом обеспечивается приведение в движение в направлении вращения.
Одной формой исполнения изобретения предусмотрено, что передающее устройство содержит толкающую штангу, которая преобразует вращение двух компонентов, например части стопы или части голени и нижней части устройства коленного сустава или верхней части и нижней части устройства коленного сустава, в толкательное движение. Это толкательное движение или линейное движение осуществляется с чередованием, причем с помощью соответствующего управления толкающей штангой обеспечивается, что приведение в движение генератора или нагружение устройства аккумулятора энергии осуществляется только в одном направлении. С помощью толкающей штанги реализуется передаточное отношение, так что относительно малые углы кручения могут быть преобразованы в большие линейные движения. Возможно также, что толкающая штанга посредством шарнирной передачи соединена с генератором или включенным перед ним редуктором. Для того чтобы обеспечить нагружение генератора или аккумулятора энергии или редуктора регулирующей силой с помощью толкающей штанги только в одном направлении, толкающей штанге может быть придан храповой механизм, который действует только в одном направлении, а в другом, однако, проскальзывает. Вместо преобразования с помощью толкающей штанги передающее устройство может передавать вращательное движение непосредственно на генератор, или включенный перед ним аккумулятор энергии, или включенный перед ним редуктор. Передача отклонения двух компонентов может осуществляться с помощью различных средств, например зубчатых или фрикционных колес или приводов тянущих средств, например цепей, лент или зубчатых ремней. Различные средства передачи могут также комбинироваться между собой, чтобы обеспечить пригодные передаточные отношения, углы кручения или пути смещения или передачу сил и моментов на желаемые позиции.
Кроме того, возможно, что передающее устройство содержит конструкцию со сдвоенным зубчатым колесом с по меньшей мере одним переключающим устройством, которое осуществляет или позволяет передачу силы на ведомый вал только в одном направлении вращения, так что зубчатые колеса действуют в одном направлении силы. При этом предусмотрено, что для одного зубчатого колеса происходит реверсирование направления вращения, проще всего, с помощью промежуточно включенного зубчатого колеса, чтобы обеспечить единое направление вращения ведомого вала и, следовательно, генератора. За счет соответствующего переключения или, например, направления кулисы, обеспечивается возможность того, что линейные или вращательные движения передаются на каждое зубчатое колесо, которые за счет пригодных устройств преобразования вращают приводной вал только в одном направлении вращения, а в другом направлении вращение блокируется или не приводится в действие. Вместо включения зубчатых колес они могут быть также оснащены механизмом свободного хода и приводиться в действие одновременно, причем одно зубчатое колесо оснащено устройством для реверсирования направления вращения, так что при чередующихся движениях привод осуществляется только в одном направлении.
Особо простой вид и способ использования силы и передачи силы только в одном направлении вращения достигается, если предусмотрена коническая зубчатая передача, при которой одно приводное коническое зубчатое колесо соединено с двумя ведомыми коническими зубчатыми колесами. Ведомые конические зубчатые колеса укреплены на общем ведомом валу и оснащены каждое механизмом свободного хода, который выполнен таким образом, что приводной вал нагружается крутящим моментом только в одном направлении вращения. Поскольку при чередующихся вращательных движениях оба ведомых зубчатых колеса приводятся в действие чередующимся образом, при вращении в одном направлении вращения с ведомым валом с передачей силы соединено только одно ведомое зубчатое колесо, а при вращении в другом направлении вращения - расположенное напротив ведомое зубчатое колесо.
Генератор может быть соединен с аккумулятором или с конденсатором, чтобы наряду с механическим аккумулированием силы предусмотреть также электрическое аккумулирование силы. В случае генератора переменного тока предусмотрен выпрямитель, предназначенный для зарядки аккумулятора. В частности, при промежуточно включенной пружине с помощью дополнительного механического тормоза возможен контроль постоянного отбора мощности. Возможно также управление отбором мощности с помощью схемы короткого замыкания в генераторе. За счет постоянного привода генератора возможна главным образом неизменная выработка энергии, так что можно отказаться от трансформатора, что благоприятно сказывается как на конструктивном типоразмере, так и на весе.
В последующем примеры исполнения изобретения поясняются более подробно на основании фигур. Фигуры показывают:
фиг. 1а-1с показывают три вида первой формы исполнения с непосредственной передачей вращательного движения;
фиг. 2а-2с показывают вариант с линейной передачей;
фиг. 3а и 3b показывают виды устройства на подошве протеза;
фиг. 4а и 4b показывают вариант фиг.3.
фиг. 5 показывает схематическое изображение передающего устройства с толкающей штангой; а также
фиг. 6а-6с показывают различные виды одного варианта передающего устройства.
Фиг. 1а показывает в виде сбоку ортопедическое техническое устройство 1 в форме протеза части ноги. На верхнем конце штока 10 голени расположен шарнир 20 коленного сустава протеза, а на нижнем конце расположено основание 30 протеза. Область 31 подошвы зафиксирована с помощью пружины 32 на присоединительном элементе 33. С помощью шарнирного устройства 34 шток 10 голени шарнирно установлен на корпусе 35 пятки, на котором также укреплена часть 31 подошвы.
На верхнем конце штока 10 голени расположен шарнир 20 коленного сустава протеза с верхними присоединительными средствами 21 для приема штока бедра и т.п. Нижние присоединительные средства 23 крепят шарнир 20 коленного сустава протеза на штоке 10 голени. Многошарнирная система 22 обеспечивает шарнирное соединение верхнего присоединительного средства 21 с нижним присоединительным средством 23 или штоком 10 голени.
На штоке 10 голени укреплен блок 40 генератора, который приводится в действие с помощью передающего устройства 50. На фиг. 1b, на которой на виде сзади изображено ортопедическое техническое устройство 1, видно, что передающее устройство 50 расположено сбоку рядом с шарниром 20 коленного сустава протеза и содержит два зубчатых колеса 52, 54, которые соединены между собой с помощью зубчатого ремня 53 или другого тягового привода. Это видно в деталях на фиг. 1с. Шарнир 20 коленного сустава протеза содержит в многошарнирной системе 22 передний приводной рычаг 24, который укреплен с возможностью качания относительно нижнего крепежного средства 23 и, тем самым, относительно голени 10. Первое приводное зубчатое колесо 52 при этом неподвижно укреплено на переднем приводном рычаге 24 или его оси вращения, в результате чего при наклоне или распрямлении шарнира 20 коленного сустава протеза происходит проворачивание переднего приводного рычага 24. Чередующиеся качательные движения изображены на фиг. 1а двойной стрелкой. При качании переднего приводного рычага 24, исходя из изображенного распрямленного положения в ходе сгибания шарнира 20 коленного сустава протеза в направлении часовой стрелки, приводное зубчатое колесо 52 сообщающимся образом поворачивается и соответствующим образом приводит в действие зубчатый ремень 53 или другой элемент для передачи силы. Приводное колесо 54, которое соединено с блоком 40 генератора, сообщающимся образом альтернативно движется вокруг его оси вращения. Проворачивание приводного зубчатого колеса 54 передается на генератор, что будет пояснено ниже более подробно. По мере надобности энергия движения может аккумулироваться с помощью аккумулятора силы в форме пружины. Возможно также промежуточное включение блока редуктора. Вращательное движение переднего приводного рычага 24 с помощью привода 53 с тяговыми средствами преобразуется в непосредственное вращательное движение приводного зубчатого колеса 54 и, следовательно, приводного вала для генератора.
Вариант изобретения изображен на фиг. 2а-2с, которые идентичны фиг. 1а-1с. Вместо передачи отклонения переднего приводного рычага 24 относительное отклонение заднего приводного рычага 25 передается вокруг нижней оси 26 вращения через две толкающих штанги 55, 56 на блок 40 генератора. Вместо бокового расположения, как это показано на фиг. 1а-1с, шарнир 20 коленного сустава посредством изображенной на фиг. 2а-2с конструкции становится уже в сагиттальной плоскости. На толкающей штанге 55, которая непосредственно входит в блок 40 генератора, выполнен зубчатый венец, с помощью которого может осуществляться косвенный или непосредственный привод генератора.
На фиг. 3а и 3b основание 30 протеза показано в качестве ортопедического технического устройства, при котором преобразование энергии в электрическую энергию осуществляется непосредственно на основании 30 протеза. Блок 40 генератора расположен на части 31 подошвы и с помощью зубчатой штанги 55 с зубчатым венцом 58 через многошарнирные приводы 56, 56', 57 соединен с укрепленной с возможностью качания верхней присоединительной частью 33. При нагрузке, например, нагрузке плюсны со стороны не изображенного штока 10 голени, пружина 32 сжимается или скручивается, в результате чего верхняя присоединительная часть 33 может поворачиваться вокруг оси 34 качания относительно части 35 пятки и части 31 подошвы. За счет этого через многошарнирные передачи 56, 56', 57 зубчатая штанга 55 движется вперед. Если верхнее присоединительное средство 33 откидывается назад в направлении часовой стрелки в изображенное исходное положение, то зубчатая штанга 55 оттягивается вправо. Чередующееся линейное движение зубчатой штанги 55 обозначено с помощью двойной стрелки. Внутри блока 40 генератора линейное движение преобразуется затем во вращательное движение и осуществляется привод не изображенного генератора.
Альтернативное исполнение основания 30 протеза показано на фиг. 4а и 4b, в котором верхняя часть 33 укреплена с возможностью качания вокруг оси 34 на опорной поперечине 56, которая, в свою очередь, укреплена на вертикально ориентированной зубчатой штанге. При нагрузке опорная поперечина 56 качается вокруг оси 34' качания и обуславливает, тем самым, движение зубчатой штанги 55 в направлении части 31 подошвы. При устранении нагрузки под воздействием пружины 32 вновь устанавливается изображенное исходное положение, так что зубчатая штанга 55 смещается вверх. Это обозначено двойной стрелкой. Несущая поперечина 56 при этом введена через шлиц 36 внутрь пружины 32, за счет чего может быть реализована очень компактная конструкция.
Фиг. 5 показывает принципиальное изображение передающего устройства 50 с толкающей штангой 56, которая выполняет чередующееся линейное движение. Толкающая штанга 56 соединена с зубчатой штангой 55, на которой расположены зубья 58 в форме пилообразных зубьев. Зубчатая штанга 55 входит в зубчатое зацепление с зубчатым колесом 60, которое, в свою очередь, входит в зацепление со следующим зубчатым колесом 61. С помощью этого второго зубчатого колеса 61 спиральная пружина 70 натягивается в качестве аккумулятора энергии. При смещении зубчатой штанги 55 влево зубчатое колесо 60 поворачивается по часовой стрелке, за счет чего второе зубчатое колесо 51 поворачивается против часовой стрелки и производится натяжение спиральной пружины 70. При движении вправо зубья 58 проскальзывают мимо зубчатого колеса 60, не обуславливая какой-либо регулировки. Возвратная пружина 550 в этом случае вновь прижимает зубчатую штангу 55 к зубчатому колесу 60 с целью обеспечения удержания зацепления зубьев 58. С целью защиты механический тормоз 62 с пружиной 63 находится в состоянии предварительного натяжения относительно зубчатого колеса 60, так что предотвращается движение зубчатого колеса 60 в направлении против часовой стрелки. Зубчатые колеса 60, 61 могут соединяться между собой с различными передаточными соотношениями, при необходимости с помощью промежуточно включенного редуктора.
На фиг. 5b показано на виде сбоку размещение спиральной пружины 70 через зубчатое колесо 61 на оси 100 вращения. Торсионная пружина 70 через редуктор 80 с высокой редукцией приводит в действие генератор 90 постоянного тока. Сразу после преодоления трения сцепления генератор 90 приводится во вращение посредством высокой редукции редуктора 80 и при соответствующем предварительном натяжении пружины 70 достигает высокого числа оборотов, которое сохраняется до тех пор, пока напряжение пружины 70 является достаточным. При ходьбе достигаемые и возникающие таким образом в подошве 30 протеза или шарнире 20 коленного сустава протеза кратковременные выбросы энергии могут с помощью пружины 70 аккумулироваться в форме повторного кручения пружины 70 в натянутое положение и медленно передаваться на генератор через редуктор 80. Это служит для сглаживания и приема импульсов, а также для повышения коэффициента полезного действия.
За счет управления движением, например, с помощью кулисной направляющей зубчатой штанги 55 можно также отказаться от использования в передающем устройстве 50 храпового механизма преобразователя движения. Также чередующиеся вращательные движения с помощью соответствующих механизмов свободного хода и отклонения могут преобразовываться таким образом, что приводной вал для генератора 90 или для предварительного натяжения пружины 70 постоянно вращается в одном направлении.
На фиг. 6а-6с изображено альтернативное или дополняющее преобразование чередующегося линейного движения во вращательное движение. С помощью кривошипа 64 качательное движение, преобразованное в чередующееся вращательное движение, передается на вал 65. На этом валу 65 укреплено приводное коническое зубчатое колесо 66, которое в соответствии с вращательным движением вала 65 реализует чередующиеся вращательные движения. С приводным зубчатым колесом 66 входят в зацепление два укрепленных на одном общем приводном валу 69 приводных зубчатых колеса 67, 68 в форме конических зубчатых колес, каждое из которых оснащено механизмом 670, 680 свободного хода. Если вал 65 и приводное зубчатое колесо 66 вращаются по часовой стрелке, при виде на фиг. 6а, то правое приводное зубчатое колесо 67 остается без передачи силы, в то время как левое приводное зубчатое колесо 68 соответствующим образом приводит в действие приводной вал 69. При качательном движении кривошипа 64 влево вал 65 вращается в направлении против часовой стрелки, в результате чего левое зубчатое колесо 68 с помощью механизма 680 свободного хода выходит из состояния передающего силу зацепления и вместо этого в режим передачи силы включается правое зубчатое колесо 67. За счет этого как при расширении, так и сжатии компонентов ортопедического технического устройства при соответствующей передаче силы через передающее устройство 50 приводной вал 69 вращается только в одном направлении вращения.
Приводной вал 69 связан со спиральной или винтовой пружиной 70 в качестве механического аккумулятора энергии, которая, в свою очередь, соединена с блоком 80 редуктора. Привод генератора 90 осуществляется с различными ступенями передаточного соотношения, в результате чего энергия движения посредством сжатия и расширения или относительного смещения компонентов ортопедического технического устройства преобразуется в электрическую энергию. Эта электрическая энергия может непосредственным образом передаваться на не изображенные потребители, например исполнительные устройства и чувствительные элементы или устройства передачи. Возможно также, что выработанная электрическая энергия накапливается в аккумуляторах или конденсаторах.
Для обеспечения возможности постоянного привода пружина 70 может контролироваться с помощью механического тормоза. Управление приводом может осуществляться также с помощью схемы короткого замыкания внутри генератора 90.
Вместо преобразования линейного движения с помощью кривошипа 64 приводной вал 65 может приводиться в действие также с помощью зубчатого ремня или т.п. Принципиально возможно также, чтобы приводной вал 65 или при необходимости также вал 100 генератора были расположены непосредственно на оси вращения установленных компонентов.
1. Ортопедическое техническое устройство (1) с двумя укрепленными с возможностью качания относительно друг друга компонентами (24, 10; 25, 20; 33, 35), причем на ортопедическом техническом устройстве (1) расположен генератор (90) для выработки электрической энергии, который приводится в действие через передающее устройство (50), которое передает относительное движение обоих компонентов (24, 10; 25, 20; 33, 35) относительно друг друга, отличающееся тем, что аккумулятор (70) энергии и передающее устройство (50) включены перед генератором (90), причем передающее устройство (50) допускает передачу силы только в одном направлении и блокирует в другом направлении.
2. Ортопедическое техническое устройство по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено в качестве протеза или ортеза.
3. Ортопедическое техническое устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что генератор (90) выполнен как генератор постоянного или переменного тока.
4. Ортопедическое техническое устройство по п.1, отличающееся тем, что перед генератором (90) расположен редуктор (80).
5. Ортопедическое техническое устройство по п.1, отличающееся тем, что для генератора предусмотрено запирающее устройство, которое блокирует выработку электрической энергии, пока аккумулятор (70) энергии не достигнет минимального уровня силы.
6. Ортопедическое техническое устройство по п.1, отличающееся тем, что аккумулятор (70) энергии выполнен в виде пружины, в частности в виде спиральной пружины.
7. Ортопедическое техническое устройство по п.1, отличающееся тем, что передающее устройство (50) содержит по меньшей мере один механизм (670, 680) свободного хода, который блокирует направление передачи силы.
8. Ортопедическое техническое устройство по п.1, отличающееся тем, что передающее устройство (50) содержит толкающую штангу (55), которая передает относительное движение обоих компонентов (24, 10; 25, 10, 33, 35) относительно друг друга с преобразованием в линейное движение.
9. Ортопедическое техническое устройство по п.8, отличающееся тем, что толкающая штанга (55) соединена с генератором (90) через храповой механизм.
10. Ортопедическое техническое устройство по п.1, отличающееся тем, что передающее устройство (50) содержит устройство (67, 68) со сдвоенным зубчатым колесом с по меньшей мере одним переключающим устройством, которое обеспечивает передачу силы на приводной вал (69) только в одном направлении вращения.
11. Ортопедическое техническое устройство по п.10, отличающееся тем, что редуктор (66, 67, 68) со сдвоенным зубчатым колесом выполнен в виде конической зубчатой передачи, которая содержит одно чередующимся образом приводимое в действие приводное коническое зубчатое колесо (66) и два приводных конических зубчатых колеса (67, 68), каждое из которых установлено через механизм (670, 680) свободного хода на одном приводном валу (69).
12. Ортопедическое техническое устройство по п.1, отличающееся тем, что генератор (90) связан с аккумулятором или конденсатором.
