BRPI0617920A2

BRPI0617920A2 - disposição de sensor para a medição de forças e/ou torques e uso da disposição de sensor

Info

Publication number: BRPI0617920A2
Application number: BRPI0617920-7A
Authority: BR
Inventors: Martin Pusch
Original assignee: Bock Healthcare Ip Gmbh
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2006-10-12
Publication date: 2011-08-09
Also published as: TW200731958A; US8464597B2; EP1940326B1; TWI360409B; CA2627007A1; ATE474530T1; RU2391944C2; DE502006007498D1; CN101296674A; US20080276725A1; JP2009513955A; CN101296674B; DE102005051495A1; WO2007048375A1; JP5173821B2; RU2008120595A; EP1940326A1

Abstract

<B>DISPOSIçãO DE SENSOR PARA A MEDIçãO DE FORçAS E/OU TORQUES E USO DA DISPOSIçãO DE SENSOR.<D> A presente invenção refere-se a uma disposição de sensor para a medição de forças e/ou torques, que são transmitidos por meio de um transmissor rígido, sendo que a disposição de sensor pode ser unida por meio de uma primeira conexão (2) com uma primeira parte do transmissor e, por meio de uma segunda conexão (10), com uma segunda parte do transmissor, e está equipada com elementos de sensor (21) mecanico-elétricos, para conversão de parâmetros mecânicos em parâmetros elétricos, possibilita uma medição exata, a dimensões pequenas, pelo fato de que a disposição de sensor, partindo da primeira conexão (2), apresenta um primeiro flange (3), que circunda a primeira conexão (2), que está unido através de nervuras (13), situadas perpendicularmente ao primeiro flange (3), com um segundo flange (12), alinhado paralelamente ao primeiro flange (3), sendo que o espaço intermediário (15) entre as nervuras (13) é maior do que as medidas de largura das nervuras (13), que a segunda conexão (10) está disposta sobre o segundo flange (12) e que os elementos de sensor estão projetados para determinação de expansões ou compressões e dispostos sobre pelo menos uma das duas superfícies do segundo flange (12), ao lado das nervuras (13). De preferência, a disposição de sensor é usada em um membro artificial, particularmente, em uma perna artificial.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "DISPOSIÇÃODE SENSOR PARA A MEDIÇÃO DE FORÇAS E/OU TORQUES E USO DADISPOSIÇÃO DE SENSOR".

A presente invenção refere-se a uma disposição de sensor paraa medição de forças e/ou torques, que são transmitidos por meio de umtransmissor rígido, senso que a disposição de sensor pode ser unida pormeio de uma primeira conexão com uma primeira parte do transmissor e, pormeio de uma segunda conexão, com uma segunda parte do transmissor eestá equipada com elementos de sensor mecânico-elétricos, para conversãode parâmetros mecânicos em parâmetros elétricos.

A invenção refere-se, ainda, a um uso dessa disposição de sen-sor em um membro artificial, particularmente, uma perna artificial.

São conhecidas disposições de sensor, com as quais deve erealizada uma análise de movimento para um paciente. Como as disposi-ções de sensor são de volume muito grande, elas precisam ser instaladasem próteses de teste que precisam corresponder o melhor possível às pró-teses usadas na prática. Devido à outra construção da prótese de teste e àsrelações de peso modificadas pela disposição de sensor, porém, só sãopossíveis análises de movimento que talvez só correspondam de modo mui-to incompleto ao comportamento de movimento com uma prótese usada naprática.

Foi tentado, ainda, dotar o paciente de uma disposição de sen-sor na extremidade provida de uma prótese, que está formada com medido-res de aceleração. Uma disposição desse tipo pode ser utilizável para a aná-Iise da dinâmica de movimento, mas não permite quaisquer medições decargas da prótese na posição parada ou em movimento quase estáticos.

Pelo documento DE 101 39 333 A1 é conhecida uma prótesecom uma parte de quadril, uma articulação de joelho, uma parte de perna euma parte de pé, na qual a parte de perna está formada para recepção deuma disposição de sensor. A disposição de sensor está equipada para a se-paração em tecnologia de medição de cargas axiais de cargas de flexão. Elaconsiste em uma armação com nervuras laterais curvadas, para medição dacarga de flexão e uma nervura fina, central, para medição da carga vertical(axial).

Uma necessidade de determinar forças e/ou torques não existeapenas para próteses, mas para numerosas outras áreas de aplicação, porexemplo, para concepção e controle de braços de robôs.

A presente invenção tem, portanto, por base a tarefa de criaruma disposição de sensor do tipo mencionado inicialmente, que pode sermontada em um espaço pequeno e uma medição confiável de cargas estáti-cas assim como dinâmicas.

Essa tarefa é solucionada de acordo com a invenção com umadisposição de sensor do tipo mencionado inicialmente, que está caracteriza-da pelo fato de que a disposição de sensor apresenta, partindo da primeiraconexão, um primeiro flange, que circunda a primeira conexão, e que estáunido com um segundo flange, alinhado paralelamente ao primeiro flange,através de nervuras situadas perpendicularmente ao primeiro flange, sendoque o espaço intermediário entre as nervuras é maior do que as medidas dalargura das nervuras, que a segunda conexão está disposta sobre o segun-do flange e que os elementos de sensor estão projetados para determinaçãode expansões ou compressões e estão dispostos sobre pelo menos uma dasduas superfícies do segundo flange, ao lado das nervuras.

A disposição de sensor permite uma transmissão segura dasforças da primeira conexão à segunda conexão, disposta, de preferência,centralmente sobre o segundo flange e inversamente, sendo que as forçastransmitidas são detectáveis por medição das menores deformações no se-gundo flange. Devido à transmissão das forças entre os dois flanges pormeio das nervuras, as deformações são concentradas nas regiões da super-fície adjacentes às nervuras do segundo flange e, ali, podem ser detectadascom os elementos de sensor que reagem à expansão ou à compressão. Asnervuras, cujo comprimento, de preferência, excede suas medidas de Iargu-ra, produzem um desacoplamento dos dois flanges, que possibilita umatransmissão das forças, por outro lado, concentra as deformações sobre umdos flanges, aqui, sobre o segundo flange, de modo que no que se refere àsdeformações, portanto, no que se refere ao efeito de medição, é obtido umdesacoplamento dos dois flanges.

Em uma modalidade preferida da invenção, os elementos desensor para detecção de expansões e compressões estão dispostos sobreas duas superfícies do segundo flange. Pela diferenciação possibilitada des-se modo, entre expansões e compressões, o tipo das forças e/ou torquestransmitidos pode ser determinado com segurança mais alta. Além disso, épossível obter sinais de medição ampliados se os elementos de sensor quese encontram sobre o lado superior e sobre o lado inferior do segundo flangeforem ligados uns aos outros de modo apropriado.

Em uma modalidade preferida da invenção, a disposição desensor está formada em duas partes, com uma primeira parte, que apresen-ta o primeiro flange, e uma segunda parte, que apresenta o segundo flangee as nervuras, sendo que as duas partes podem ser unidas rigidamente umaà outra, por exemplo, por uma união por parafusos. A união por parafusospode dar-se, de preferência, através das nervuras, quando as mesmas estãodotadas de um furo roscado, para alojamento de um parafuso de fixação.

A primeira conexão da disposição de sensor está formada, depreferência, em forma de chapéu, com uma seção transversal cilíndrica, naqual se liga o primeiro flange. A conexão em forma de chapéu pode recobrir,de preferência, uma pirâmide de ajuste e estar dotada de parafusos de ajus-te, que se prendem nas superfícies planas da pirâmide de ajuste.

A segunda pirâmide de ajuste pode estar formada, por exemplo,de uma pirâmide de ajuste, que passa através de um abaulamento convexopara o segundo flange.

De preferência, os elementos de sensor são tiras de medição dealongamento, que em uma modalidade preferida da invenção estão posicio-nadas para absorção de expansões ou compressões em forma de linhas.

As regiões de expansão e compressão, de preferência, em for-ma de linhas, podem ser influenciadas no segundo flange pela inserção decavidades em sua posição. As cavidades podem ser furos circulares, mastambém aberturas de passagem com qualquer contorno externo, por exem-plo, triangular.

De preferência, o primeiro e o segundo flange apresentam umcontorno quadrado e estão previstas quatro nervuras para ligação dos doisflanges em suas bordas. As cavidades, que estão previstas para posiciona-mento das regiões de expansão ou compressão no segundo flange, encon-tram-se, de preferência, entre a segunda conexão e as nervuras, portanto,em uma direção diagonal ao segundo flange, de preferência, quadrado.

Com uma construção desse tipo é possível formar, paralelamen-te às bordas do segundo flange, regiões de expansão ou compressão, quese estendem, em forma de linhas, a partir das cavidades, paralelamente àsbordas do segundo flange, de modo que, para esse fim, são posicionadas astiras de medição.

A disposição de sensor de acordo com a invenção pode ser rea-lizada em um espaço muito pequeno e necessita de uma altura de constru-ção de não mais do que 2 a 3 cm.

Desse modo, a disposição de sensor de acordo com a invençãopode ser adaptada ao tamanho e ao peso de, por exemplo, um adaptador derotação, que em uma prótese de perna é disposto imediatamente acima daarticulação de joelho artificial. O adaptador de rotação, que possibilita umarotação adicional, de uma prótese desse tipo pode ser simplesmente trocadopela disposição de sensor de acordo com a invenção, de modo que forças etorques necessários para uma análise de movimento possam ser determina-dos na prótese produzida para o paciente para o uso subseqüente. A deter-minação de cargas pode, desse modo, ser realizada na prótese definitiva,sendo que é possível uma otimização por ajuste da prótese.

A disposição de sensor de acordo com a invenção também éapropriada para uma montagem de longo prazo em uma prótese, para reali-zar investigações de longo prazo.

A invenção é explicada a seguir mais detalhadamente por meiode uma modalidade representada no desenho. Mostram:

figura 1 uma vista lateral em perspectiva sobre uma primeira par-te de uma disposição de sensor;figura 2 uma vista em perspectiva, obliquamente por baixo, sobrea primeira parte de acordo com a figura 1;

figura 3 uma vista lateral em perspectiva da segunda parte deuma disposição de sensor;

figura 4 uma vista em perspectiva, obliquamente por baixo, dasegunda parte de acordo com a figura 3;

figura 5 uma vista lateral em perspectiva da disposição de sen-sor composta pelas duas partes;

figura 6 uma vista em perspectiva, obliquamente por baixo, dadisposição de sensor de acordo com a figura 5;

figura 7 uma representação em corte esquemática da disposiçãode sensor para uma carga axial (direção z), com uma representação esque-mática de regiões de compressão em forma de linhas sobre o segundo flange;

figura 8 uma representação de acordo com a figura 7 para umtorque em torno de um eixo horizontal (eixo x);

figura 9 uma representação esquemática de acordo com a figura7 para a carga de uma força lateral;

figura 10 uma representação esquemática de acordo com a figu-ra 7 para um torque em torno de um eixo vertical (eixo z).

As figuras 1 a 6 ilustram a formação de uma modalidade de umadisposição de sensor de acordo com a invenção. A mesma consiste em umaprimeira parte 1, que está constituída de uma conexão 2 cilíndrica, em formade chapéu, e um flange 3 quadrado, que se anexa à mesma. O flange 3quadrado apresenta furos de passagem 4 em seus cantos para parafusos defixação (não representados).

A conexão 2 em forma de chapéu está formada com uma paredede proteção 5, na qual se encontram furos roscados 6, em cada caso, deslo-cados por um ângulo de rotação de 90°. A conexão 2 em forma de chapéuapresenta em seu lado superior um fundo 7 cilíndrico de base circular e emseu lado inferior um rebordo 8 em forma de coroa circular, que está unidoem uma só peça com o flange 3 quadrado e reforça o mesmo.A figura 2 ilustra que a conexão 2 em forma de chapéu apresen-ta um espaço de alojamento 9 formado de modo aproximadamente retangu-lar, que serve para o alojamento de um adaptador de ajuste, que apresentaquatro superfícies de ajuste situadas obliquamente, contra as quais se com-primem os parafusos de ajuste aparafusados através dos furos roscados 6.

Um adaptador de ajuste 10 desse tipo está formado na segundaparte 11 da disposição de sensor. A segunda parte 11 apresenta um segun-do flange 12 quadrado, cujas medidas correspondem às medidas do primei-ro flange 3. Os dois flanges 3, 12 estão unidos um ao outro por nervuras 13formadas em uma só peça na segunda parte, que nos cantos do segundoflange 12 estendem-se para baixo, de modo que as nervuras apóiam-se so-bre o primeiro flange 3 radialmente por fora da conexão 12 em forma dechapéu. As nervuras 13 estão dotadas, em cada caso, de um furo cego ros-cado a partir de seu lado inferior, que podem estar alinhados com os furosde passagem 4 do primeiro flange 3.

As figuras 3 e 4 mostram, ainda, que as nervuras 12 apresentamuma seção transversal retangular e que se estreitam em direção às suasextremidades livres, portanto, para baixo, por uma obliqüidade 16 apontadapara um espaço intermediário 15 entre duas nervuras 13.

O adaptador de ajuste 10 encontra-se no lado superior 17 dosegundo flange 12, afastado das nervuras. Ele está formado, de modo co-nhecido, na forma de um tronco de pirâmide invertido e, desse modo, apre-senta quatro superfícies de ajuste 18 planas, estendidas obliquamente, quepodem interagir com parafusos de ajuste, para fins de ajuste. O adaptadorde ajuste 10 passa para um pedestal 19 com diâmetro ampliado, que comuma superfície curvada produz uma passagem para o segundo flange 12 quadrado.

O adaptador de ajuste 10 forma uma segunda conexão da dis-posição de sensor. Entre essa segunda conexão 10 e as nervuras 13 dispos-tas nos cantos do segundo flange 12 encontra-se, desse modo, na direçãodiagonal do segundo flange 12 quadrado, em cada caso, uma cavidade 20na forma de um furo de passagem, pela qual pode ser influenciada a forma-ção, descrita mais detalhadamente abaixo, de regiões de compressão ouexpansão.

As figuras 5 e 6 mostram a disposição de sensor composta dasduas partes 1, 11, em estado montado (mas sem parafusos de fixação). Po-de ser visto que entre o espaço de alojamento 9 da primeira conexão e oadaptador de ajuste 10, que forma a segunda conexão, é necessária umaaltura de construção de apenas 2 a 3 cm.

As figuras 7 a 10 mostram, esquematicamente, em cada caso,um corte vertical pela disposição de sensor de acordo com as figuras 1 a 6,mas com uma representação esquemática das tiras de edição de expansão21 coladas sobre as duas superfícies do flange 12 como elementos de sensor.

A vista de cima, que se encontra, em cada caso, sob as figuras 7a 10, ilustra o posicionamento das tiras de medição de alongamento 21, detal modo que elas são modificadas em seu comprimento por regiões decompressão 22 ou regiões de expansão 23 em forma de linha, de modo queresulta uma resistência modificada.

A figura 7 ilustra o caso de uma solicitação de força na direção z,portanto, na direção axial de uma prótese de esqueleto tubular para umaperna. As tiras de medição de alongamento 21, que se encontram no ladosuperior 17 do segundo flange 12, encontram-se, nesse caso, em regiões decompressão 22, que se estendem em forma de linha dos furos de passagem20, paralelamente às bordas do segundo flange 12, em cada caso, à bordaadjacente. As tiras de medição de alongamento 21, alinhadas de modo cor-respondente, modificam, desse modo, seu valor de resistência na direção dacompressão.

De acordo com a figura 8, o adaptador de ajuste 10 é solicitadocom um torque em torno de um eixo situado perpendicularmente ao plano dodesenho (direção χ). O torque leva a tira de medição de alongamento 21,que se encontra no lado superior 17, a uma compressão no lado para o qualo torque está dirigido (compare a seta Mx inscrita na figura 8), enquanto nolado posto, ele leva à formação de regiões de expansão 23.A figura 9 mostra uma força lateral que atua sobre o adaptadorde ajuste 10 no plano de desenho (direção y), pela qual são formadas asregiões de expansão 23 e regiões de compressão 22, que se encontramperpendicularmente à força de solicitação, enquanto as tiras de medição dealongamento 21 restantes sobre o lado superior 17 do segundo flange 12ficam sem sinal de medição.

Em um torque Mz em ação, representado na figura 10, formam-se na direção z, em cada cavidade 20, uma região de compressão 23 e umaregião de expansão 22, sendo que, vista na direção do torque Mz, a regiãode compressão 23 marcha à frente da região de expansão 22 por, em cadacaso, 90°.

Por meio dos exemplos representados é visível que com as tirasde medição de alongamento 21 como elementos de sensor, as diversas for-ças e torques que ocorrem são claramente detectáveis.

As tiras de medição de alongamento 21 no lado inferior do se-gundo flange 12 produzem, em cada caso, sinais, que são complementaresaos sinais das tiras de medição de alongamento 21 no lado superior 17 dosegundo flange 12, de modo que, a uma adição apropriada, elas podem con-tribuir para um sinal de medição intensificado.

Claims

1. Disposição de sensor para a medição de forças e/ou torques,que são transmitidos por meio de um transmissor rígido, sendo que a dispo-sição de sensor pode ser unida por meio de uma primeira conexão (2) comuma primeira parte do transmissor e, por meio de uma segunda conexão(10), com uma segunda parte do transmissor, e está equipada com elemen-tos de sensor (21) mecânico-elétricos, para conversão de parâmetros mecâ-nicos em parâmetros elétricos, caracterizada pelo fato de que a disposiçãode sensor, partindo da primeira conexão (2) apresenta um primeiro flange(3), que circunda a primeira conexão (2), que está unido através de nervuras(13), situadas perpendicularmente ao primeiro flange (3), com um segundoflange (12), alinhado paralelamente ao primeiro flange (3), sendo que o es-paço intermediário (15) entre as nervuras (13) é maior do que as medidas delargura das nervuras (13), que a segunda conexão (10) está disposta sobreo segundo flange (12) e que os elementos de sensor estão projetados paradeterminação de expansões ou compressões e dispostos sobre pelo menosuma das duas superfícies do segundo flange (12), ao lado das nervuras (13).

2. Disposição de sensor de acordo com a reivindicação 1, carac-terizada pelo fato de que os elementos de sensor (21) estão dispostos nasduas superfícies do segundo flange (12), para absorção de expansões oucompressões.

3. Disposição de sensor de acordo com a reivindicação 1 ou 2,caracterizada pelo fato de que ela está formada em duas partes, com umaprimeira parte (1), que apresenta o primeiro flange (3), e uma segunda parte,que apresenta o segundo flange (12) e que as partes (1, 11) podem ser uni-das rigidamente uma com a outra.

4. Disposição de sensor de acordo com a reivindicação 3, carac-terizada pelo fato de que as nervuras (13) estão dotadas de um furo roscado(14) para recepção de um parafuso de fixação.

5. Disposição de sensor de acordo com uma das reivindicaçõesde 1 a 4, caracterizada pelo fato de que a primeira conexão (2) está formadaem forma de chapéu, com uma seção transversal cilíndrica, ao qual se ane-xa ο primeiro flange (3).

6. Disposição de sensor de acordo com uma das reivindicaçõesde 1 a 5, caracterizada pelo fato de que a segunda conexão (10) passa comuma curvatura convexa para o segundo flange (12).

7. Disposição de sensor de acordo com uma das reivindicaçõesde 1 a 6, caracterizada pelo fato de que os elementos de sensor (21) sãotiras de medição de alongamento.

8. Disposição de sensor de acordo com a reivindicação 7, carac-terizada pelo fato de que as tiras de medição de alongamento (21) estão po-sicionadas para absorção de expansões ou compressões em forma de linha.

9. Disposição de sensor de acordo com uma das reivindicaçõesde 1 a 8, caracterizada pelo fato de que o segundo flange (12) apresentacavidades (20) para posicionamento de regiões de expansão (23) e regiõesde compressão (22).

10. Disposição de sensor de acordo com uma das reivindicaçõesde 1 a 9, caracterizada pelo fato de que o primeiro flange (3) e o segundoflange (12) apresentam um contorno quadrado e que estão previstas quatronervuras (13).

11. Disposição de sensor de acordo com a reivindicação 10, ca-racterizada pelo fato de que quatro cavidades (20) estão dispostas em dire-ção diagonal entre a segunda conexão (10) e as nervuras (13).

12. Disposição de sensor de acordo com a reivindicação 11, ca-racterizada pelo fato de que as tiras de medição de alongamento (21) estãoposicionadas para absorção de expansões ou compressões, que se esten-dem das cavidades, paralelamente às bordas do segundo flange (12).

13. Disposição de sensor de acordo com uma das reivindicaçõesde 1 a 12, caracterizada pelo fato de que a segunda conexão (10) está dis-posta centralmente ao segundo flange (12).

14. Uso da disposição de sensor de acordo com uma das reivin-dicações 1 a 13, em um membro artificial, particularmente, em uma pernaartificial, em vez de um componente construído do membro artificial, a cujasdimensões a disposição de sensor está adaptada.

15. Uso da disposição de sensor como definida na reivindicação-14, em vez de um adaptador de rotação da perna artificial.