PL228032B1

PL228032B1 - Mechatronic system for modification of trajectory, preferably of a human knee prosthesis

Info

Publication number: PL228032B1
Application number: PL419889A
Authority: PL
Inventors: Michał Olinski; Artur Handke; Sławomir Kiwała; Sławomir Wudarczyk
Original assignee: Politechnika Wroclawska
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2018-02-28
Also published as: PL419889A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest mechatroniczny układ do modyfikacji trajektorii, zwłaszcza protezy kolanowej.The subject of the invention is a mechatronic system for modifying the trajectory, in particular a knee prosthesis.

Z opisu patentowego PL 212152 B1 znany jest przegub stawu kolanowego będący endoprotezą mocowaną do kości udowej i goleniowej walcowymi, wielowpustowymi końcówkami, połączonymi z głowicami główki i panewki, zespolonymi przegubem z trzpieniem napiętym sprężyną. Przegub stawu kolanowego posiada mechaniczne połączenie części udowej z podkolanową, przenoszone poprzez trzpień i przegub bez udziału ścięgien i mięśni, których rola ogranicza się do zginania przegubu. W przypadku gwałtownego niekontrolowanego zgięcia kolana o kąt większy niż dziewięćdziesiąt stopni sprężyna, napinająca trzpień, poddaje się, a następnie dokonuje powrotu do pozycji normalnego ugięcia.The patent specification PL 212152 B1 describes the joint of the knee joint, which is an endoprosthesis attached to the femur and shin with cylindrical, splined tips connected with the heads of the head and the acetabulum, connected by a joint with a spring-loaded stem. The articulation of the knee joint has a mechanical connection of the thigh part with the lower part of the knee, transferred through the pin and the joint without the involvement of tendons and muscles whose role is limited to bending the joint. In the event of a sudden uncontrolled bend of the knee by an angle greater than ninety degrees, the spring tensioning the plunger yields and then returns to the position of normal deflection.

Z opisu patentowego PL 219 055 B1 znany jest mechanizm przegubowy działający następująco. W wyniku wysuwania się tłoczyska z siłownika następuje obrót w prawo członu, przy czym jedn ocześnie pierwsze kółko i drugie kółko toczą się w prawo, tak że środek obrotu drugiego członu zmienia swoje położenie. W tym czasie pierwszy łącznik i drugi łącznik obracają się synchronicznie, zaś pierwszy wahacz obraca się w kierunku przeciwnym niż drugi wahacz. Łączniki jak i wahacze zapewniają stabilną pracę mechanizmu oraz jego zwartą konstrukcję.From the patent specification PL 219 055 B1, an articulation mechanism acting as follows is known. As the piston rod extends from the actuator, the member pivots to the right, the first wheel and the second wheel simultaneously rotating to the right, so that the center of rotation of the second member changes its position. At this time, the first linkage and the second linkage rotate synchronously and the first rocker arm turns in the opposite direction of the second rocker arm. Connectors and rocker arms ensure stable operation of the mechanism and its compact structure.

Istotą rozwiązania według wynalazku jest mechatroniczny układ do modyfikacji trajektorii, zwłaszcza protezy kolanowej, który wyposażony jest w trzy napędy, gdzie pierwszy napęd stanowi napęd liniowy centralny, który zamocowany jest obrotowo przegubem górnym napędu liniowego centralnego do kości udowej, a przegubem dolnym napędu centralnego do kości piszczelowej, drugi napęd stanowi napęd przedni, który jest zamocowany przegubem górnym przednim do kości udowej i przegubem dolnym przednim do kości piszczelowej oraz trzeci napęd, który stanowi napęd skrzyżowany, który jest zamocowany przegubem górnym tylnym do kości udowej i przegubem dolnym tylnym do kości piszczelowej.The essence of the solution according to the invention is a mechatronic system for modifying the trajectory, especially of the knee prosthesis, which is equipped with three drives, where the first drive is a central linear drive, which is rotatably mounted with the upper joint of the central linear drive to the femur, and the lower joint of the central drive to the bone tibia, the second drive is the front drive, which is attached with the anterior upper joint to the femur and the lower anterior joint to the tibia, and the third drive, which is a cross drive, which is attached with the posterior upper joint to the femur and the posterior lower joint to the tibia.

Korzystnie napędy są bezpośrednio połączone obrotowo z kością udową, a drugim końcem o brotowo z kością piszczelową.Preferably the drives are pivotally connected directly to the femur and the other end pivotally to the tibia.

Przedmiot wynalazku został bliżej przedstawiony na rysunkach, na których fig. 1 przedstawia widok z boku mechatronicznego układu na tle obrysu kolana ludzkiego, fig. 2 przedstawia schemat mechatronicznego układu z ustalonymi elementami w kościach ludzkich oraz w przykładzie jego wykonania.The subject of the invention is shown in more detail in the drawings, in which Fig. 1 shows a side view of the mechatronic system against the background of the outline of a human knee, Fig. 2 shows a diagram of the mechatronic system with fixed elements in human bones and in its embodiment.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Mechatroniczny układ do modyfikacji trajektorii, zwłaszcza protezy kolanowej wyposażony jest w trzy napędy, gdzie pierwszy napęd stanowi napęd liniowy centralny 5, który zamocowany jest przegubem górnym napędu liniowego centralnego 11 do kości udowej 1, a przegubem dolnym napędu centralnego 10 do kości piszczelowej 2, drugi napęd stanowi napęd przedni 4, który jest zamocowany przegubem górnym przednim 7 do kości udowej 1 i przegubem dolnym przednim 9 do kości piszczelowej 2 oraz trzeci napęd, który stanowi napęd skrzyżowany 3, który jest zamocowany przegubem górnym tylnym 6 do kości udowej 1 i przegubem dolnym tylnym 8 do kości piszczelowej 2.The mechatronic system for modifying the trajectory, especially the knee prosthesis, is equipped with three drives, where the first drive is a central linear drive 5, which is mounted with the upper joint of the central linear drive 11 to the femur 1, and the lower joint of the central drive 10 to the tibia 2, the second the drive is the front drive 4, which is attached by the upper front joint 7 to the femur 1 and the lower front joint 9 to the tibia 2, and the third drive, which is a cross drive 3, which is attached by the rear upper joint 6 to the femur 1 and by a lower front joint 9 posterior 8 to the tibia 2.

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

Mechatroniczny układ jak w przykładzie 1, przy czym napędy 5, 4 i 3 są bezpośrednio połączone obrotowo z kością udową 1, a drugim końcem obrotowo z kością piszczelową 2.Mechatronic system as in example 1, whereby the drives 5, 4 and 3 are directly pivotally connected to the femur 1 and with the other end pivotally connected to the tibia 2.

Mechatroniczny układ do modyfikacji trajektorii, zwłaszcza protezy kolana odwzorowuje złożony ruch stawu kolanowego, czyli względny ruch między kością udową 1 i kością piszczelową 2. Napęd liniowy centralny 5 zapewnia ruch całego mechanizmu i zgięcie kolana. Jest on zamocowany przegubem górnym napędu centralnego 11 do kości udowej 1, a przegubem dolnym napędu centralnego 10 do kości piszczelowej 2 jak przedstawiono na zarysie kolana 12. W celu poruszenia kości udowej 1 lub kości piszczelowej 2 należy wykonać ruch napędu liniowego centralnego 5. Odwzorowanie złożonego ruchu stawu kolanowego, zwłaszcza trajektorii chwilowego środka obrotu jest możliwe dzięki zastosowaniu napędu przedniego 4 i napędu skrzyżowanego 3. Sterowanie w czasie rzeczywistym długością tych dwóch napędów powoduje zmianę położenia chwilowego środka obrotu według żądanej trajektorii. Długości obu napędów można zmieniać niezależnie od siebie nawzajem dzięki ich obrotowemu zamocowaniu. Napęd przedni 4 jest zamocowany do kości udowej 1 przegubem górnym przednim 7, a do kości piszczelowej 2 przegubem dolnym przednim 9. Napęd skrzyżowany jest zam ocowany do kości udowej 1 przegubem górnym tylnym 6, a do kości piszczelowej 2 przegubem dolnymThe mechatronic system for modifying the trajectory, especially the knee prosthesis, reproduces the complex movement of the knee joint, that is, the relative movement between the femur 1 and the tibia 2. The central linear drive 5 ensures the movement of the entire mechanism and the bending of the knee. It is attached with the upper joint of the central drive 11 to the femur 1, and the lower joint of the central drive 10 to the tibia 2 as shown in the outline of the knee 12. To move the femur 1 or tibia 2, the central linear drive 5 must be moved. of the movement of the knee joint, especially the trajectory of the instantaneous center of rotation is possible thanks to the front drive 4 and the cross drive 3. The real-time control of the length of these two drives causes the position of the instantaneous center of rotation to change according to the desired trajectory. The lengths of both drives can be changed independently of each other thanks to their swivel mounting. The front drive 4 is attached to the femur 1 with the upper front joint 7, and to the tibia 2 with the lower front joint 9. The drive is attached to the femur 1 with the rear upper joint 6, and to the tibia 2 with the lower front joint

PL 228 032 B1 tylnym 8. Odpowiednie dostosowanie trajektorii jest zapewnione poprzez wprowadzenie elementów o zmiennej długości (dwa skrzyżowane wahacze) oraz pełnej kontroli ich długości poprzez zastosowanie mechatronicznych napędów: napęd skrzyżowany 3 oraz napęd przedni 4. W celu określenia prawidłowej trajektorii, mogą być wykorzystane wcześniej zarejestrowane dane o ruchu pacjenta. Ponadto, ruch drugiego stawu kolanowego może być traktowany jako odniesienie i może być mierzony przez ten sam mechanizm. W wielu przypadkach właściwa trajektoria może być również wcześniej zaprogramowana lub określona przez fizjoterapeutę podczas sesji treningowej. Ten ruch może być zmierzony, zapisany i odtworzony przez mechanizm.PL 228 032 B1 rear 8. Proper adaptation of the trajectory is ensured by introducing elements of variable length (two crossed rockers) and full control of their length through the use of mechatronic drives: cross drive 3 and front drive 4. In order to determine the correct trajectory, they can be used previously recorded data about the patient's movement. Furthermore, the movement of the other knee joint can be taken as a reference and can be measured by the same mechanism. In many cases, the correct trajectory can also be pre-programmed or determined by the physiotherapist during a training session. This movement can be measured, recorded and reproduced by a mechanism.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest to, że istnieje możliwość dostosowywania w czasie rzeczywistym elementów mechanizmu tj. długości krzyżujących się elementów, zapewniając właściwe położenie chwilowego środka obrotu. Ponadto uzyskiwana jest bardzo dokładna regulacja trajektorii chwilowego środka obrotu dla indywidualnych potrzeb. Dodatkowo występuje usprawnienie procesu rehabilitacji poprzez zwiększenie komfortu pacjentów oraz zmniejszenie poziomu bólu, ponieważ właściwa trajektoria ruchu chwilowego środka obrotu kolana może być osiągnięta w małych krokach.An advantage of the solution according to the invention is that it is possible to adjust in real time the elements of the mechanism, i.e. the length of the intersecting elements, ensuring the correct position of the instantaneous center of rotation. In addition, a very precise adjustment of the trajectory of the instantaneous center of rotation is obtained for individual needs. In addition, there is an improvement in the rehabilitation process by increasing the comfort of patients and reducing the level of pain, because the correct trajectory of movement of the momentary center of rotation of the knee can be achieved in small steps.

Zaletą mechatronicznego układu do modyfikacji trajektorii jest jego przydatność szczególn ie w przypadku różnego rodzaju urazów miękkich jak skręcenia lub uszkodzenia ścięgien i więzadeł. Zaprojektowany innowacyjny mechanizm jest przewidziany do zastosowania w różnych urządzeniach do wspierania ludzkiego kolana (ortezy) i urządzeniach rehabilitacyjnych oraz jako element zastępczy stawu kolanowego (implanty i protezy), aby dostosowywać się w czasie rzeczywistym do wymagan ego ruchu kolana. Jednocześnie jest to prosta struktura i mało skomplikowana budowa o bardzo dokładnej kontroli ruchów.The advantage of the mechatronic system for trajectory modification is its usefulness, especially in the case of various types of soft injuries, such as sprains or damage to tendons and ligaments. The designed innovative mechanism is intended to be used in various devices to support the human knee (orthosis) and rehabilitation devices, and as a replacement for the knee joint (implants and prostheses) to adapt in real time to the required movement of the knee. At the same time, it is a simple structure and not very complicated structure with very precise control of movements.

Mechatroniczny układ do modyfikacji trajektorii daje ponadto możliwość dokonywania w czasie rzeczywistym płynnej zmiany odległości liniowej między parami obrotowymi 9 i 7 oraz 6 i 8 realizow anej za pomocą napędów liniowych. Dodatkowo zastosowanie napędów liniowych 3 i 4 zapewnia w czasie rzeczywistym możliwość nadążnego dostosowywania trajektorii do wymagań oraz sytuacji.Moreover, the mechatronic system for modifying the trajectory enables real-time smooth change of the linear distance between the rotating pairs 9 and 7 as well as 6 and 8 realized by means of linear drives. Additionally, the use of 3 and 4 linear drives provides the possibility of following the trajectory adjustment to the requirements and the situation in real time.

Claims

1. Mechatronic system for modifying the trajectory, especially of the knee prosthesis, characterized by the fact that it is equipped with three drives, where the first drive is a central linear drive (5), which is attached with the upper joint of the central drive (11) to the femur (1), and the lower joint of the central drive (10) to the tibia (2), the second drive is the front drive (4), which is attached with the upper front joint (7) to the femur (1) and the lower front joint (9) to the tibia ( 2) and the third drive, which is a cross drive (3), which is attached with the rear upper joint (6) to the femur (1) and the rear lower joint (8) to the tibia (2).

2. A mechatronic system according to claim 1, The method of claim 1, characterized in that the drives (5), (4) and (3) are directly pivotally connected to the femur (1) and at their other end pivotally to the tibia (2).