PL229343B1

PL229343B1 - Mechatronic system of the follow-up trajectory modification, preferably of the knee orthosis

Info

Publication number: PL229343B1
Application number: PL419886A
Authority: PL
Inventors: Michał Olinski; Antoni Bagiński; Artur Muraszkowski; Sławomir Wudarczyk
Original assignee: Politechnika Wroclawska
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2018-07-31
Also published as: PL419886A1

Abstract

Zgłoszenie zapewnia mechatroniczny układ nadążnej modyfikacji trajektorii, zwłaszcza ortezy kolana, charakteryzuje się tym, że jest wyposażony w trzy napędy, gdzie pierwszy napęd stanowi napęd liniowy (5), który jest połączony z jednej strony przegubem górnym tylnym (7) z kością udową (1), a z drugiej strony przegubem dolnym tylnym (6) z kością piszczelową (2), drugi napęd obrotowy centralny (9), który łączy kość piszczelową (2) z elementem dolnym przednim (3), natomiast trzeci napęd obrotowy przedni (10) osadzono w przegubie obrotowym łączącym element dolny (3), a z drugiej strony element górny (4), który to obrotowo osadzono za pomocą przegubu górnego przedniego (8) w kości udowej (1).The application provides for a mechatronic system of following trajectory modification, especially a knee brace, characterized by the fact that it is equipped with three drives, where the first drive is a linear drive (5), which is connected on one side by an upper rear joint (7) to the femur (1) ), and on the other hand, the lower rear joint (6) with the tibia (2), the second central rotary drive (9), which connects the tibia (2) with the lower front element (3), while the third front rotary drive (10) is mounted in the swivel joint connecting the lower element (3), and on the other hand, the upper element (4), which is rotatably seated by the upper front joint (8) in the femur (1).

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest mechatroniczny układ nadążnej modyfikacji trajektorii, zwłaszcza ortezy kolana.The subject of the invention is a mechatronic system of follow-up modification of the trajectory, in particular of the knee brace.

Z opisu zgłoszeniowego 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.From the application description PL 212152 B1 there is known a 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 between the thigh and the lower part of the knee, transmitted 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 sharp 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 zgłoszeniowego PL 219055 B1 znany jest mechanizm przegubowy działający następująco. W wyniku wysuwania się tłoczyska z siłownika następuje obrót w prawo członu, przy czym jednocześnie 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 application description PL 219055 B1, an articulation mechanism which functions as follows is known. As the piston rod extends from the actuator, the member pivots to the right, while the first wheel and the second wheel simultaneously roll 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 nadążnej modyfikacji trajektorii, zwłaszcza ortezy kolana, który jest wyposażony w trzy napędy, gdzie pierwszy napęd stanowi napęd liniowy, który jest połączony z jednej strony przegubem górnym tylnym z kością udową, a z drugiej strony przegubem dolnym tylnym z kością piszczelową, drugi napęd obrotowy centralny, który łączy kość piszczelową z elementem dolnym przednim, natomiast trzeci napęd obrotowy przedni osadzono w przegubie obrotowym łączącym element dolny, a z drugiej strony element górny, który to obrotowo osadzono za pomocą przegubu górnego przedniego w kości udowej.The essence of the solution according to the invention is the mechatronic system of follow-up modification of the trajectory, especially the knee brace, which is equipped with three drives, where the first drive is a linear drive, which is connected on one side with the upper rear joint with the femur, and on the other side with the lower rear joint with the bone. tibia, the second central rotary drive that connects the tibia with the anterior lower component, while the third front rotary drive is mounted in a rotary joint connecting the lower component, and on the other hand, the upper component, which is rotatably mounted by means of an upper anterior joint in the femur.

Korzystnie napęd obrotowy centralny jest umiejscowiony bezpośrednio przy kości piszczelowej lub w przegubie przy kości udowej.Preferably, the central rotary drive is located directly at the tibia or in the joint at the femur.

Korzystnie napęd obrotowy centralny i napęd obrotowy przedni posiadają blokadę magnetyczną do utrzymania elementu dolnego przedniego i elementu górnego przedniego w stałym położeniu względem kości piszczelowej w trakcie kiedy jest to niezbędne.Preferably, the central rotary drive and the anterior rotary drive have a magnetic lock to keep the anterior lower member and anterior upper member in a fixed position relative to the tibia when necessary.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest to, że istnieje możliwość dostosowywania w czasie rzeczywistym elementów mechanizmu, odległości przyczepów dwu waha cza oraz długości napędu liniowego, zapewniając właściwe położenie chwilowego środka obrotu. Ponadto uzyskiwana jest bardzo dokładna regulacja trajektorii chwilowego środka obrotu dla indywidualnych potrzeb oraz istnieje możliwość płynnej dynamicznej adaptacji do wymaganej trajektorii.An advantage of the solution according to the invention is that it is possible to adjust in real time the elements of the mechanism, the distance of the trailers of the double rocker arm and the length of the linear drive, ensuring the correct position of the instantaneous center of rotation. In addition, a very precise regulation of the trajectory of the instantaneous center of rotation is obtained for individual needs and there is a possibility of smooth dynamic adaptation to the required trajectory.

Zaletą jest również to, że występuje usprawnienie procesu rehabilitacji poprzez zwiększenie komfortu pacjentów oraz zmniejszenie poziomu bólu, ponieważ właściwa trajektoria ruchu chwilowego środka obrotu kolana może być osiągnięta w bardzo małych krokach.Another advantage is that the rehabilitation process is improved by increasing the comfort of patients and reducing the level of pain, because the correct trajectory of the momentary center of the knee rotation can be achieved in very small steps.

Zaletą urządzenia jest jego przydatność szczególnie 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 wymaganego ruchu kolana.The advantage of the device 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 designed to be used in a variety of human knee support (orthotics) and rehabilitation devices and as a knee replacement (implants and prostheses) to adapt in real time to the required knee movement.

Zaletą urządzenia jest prosta struktura i mało skomplikowana budowa.The advantage of the device is its simple structure and not very complicated structure.

Zaletą urządzenia jest monitorowanie bardzo dokładnej kontroli ruchów.The advantage of the device is the monitoring of very precise control of movements.

Zaletą urządzenia jest szeroki zakres możliwych do uzyskania trajektorii chwilowego środka obrotu.The advantage of the device is the wide range of possible trajectories of the instantaneous center of rotation.

Zaletą mechanizmu jest to, że w czasie gdy stopa jest ustalona względem podłoża i w kolanie występuje największe obciążenie pionowe to układ mechatroniczny blokuje napędy utrzymując je sztywne do chwili wykrycia zmniejszania się obciążenia.The advantage of the mechanism is that while the foot is fixed to the ground and the greatest vertical load occurs in the knee, the mechatronic system locks the drives, keeping them rigid until the reduction of the load is detected.

Zaletą mechatronicznego układu jest również to, że daje on możliwość modyfikacji odległości między parami obrotowymi 6 i 7 oraz 8 i 9 uzyskiwanej za pomocą napędów liniowego i obrotowego. Ponadto zastosowanie mechatronicznie sterowanych napędów liniowego 5 i obrotowego 10 zapewnia podczas ruchu możliwość odczytu realizowanej trajektorii w czasie rzeczywistym.An advantage of the mechatronic system is also that it makes it possible to modify the distance between the rotary pairs 6 and 7 and 8 and 9 obtained by means of linear and rotary drives. Moreover, the use of mechatronically controlled linear 5 and rotary drives 10 provides the possibility of reading the trajectory being realized in real time during the movement.

PL 229 343 Β1PL 229 343 Β1

Przedmiot wynalazku został bliżej przedstawiony w przykładach jego wykonania oraz na rysunkach, na których fig. 1 przedstawia widok z boku kolana prawego z elementami układu i jego napędami, fig. 2 przedstawia widok układu z boku na tle elementów kolana prawego.The subject of the invention is presented in more detail in its embodiments and in the drawings, in which Fig. 1 shows a side view of the right knee with elements of the system and its drives, Fig. 2 shows a side view of the system against the background of the elements of the right knee.

Przykład 1Example 1

Mechatroniczny układ nadążnej modyfikacji trajektorii, zwłaszcza ortezy kolana znamienny tym, że jest wyposażony w trzy napędy, gdzie pierwszy napęd stanowi napęd liniowy 5, który jest połączony z jednej strony przegubem górnym tylnym 7 z kością udową 1, a z drugiej strony przegubem dolnym tylnym 6 z kością piszczelową 2, drugi napęd obrotowy centralny 9, który łączy kość piszczelową 2 z elementem dolnym przednim 3, natomiast trzeci napęd obrotowy przedni 10 osadzono w przegubie obrotowym łączącym element dolny 3, a z drugiej strony element górny 4, który to obrotowo osadzono za pomocą przegubu górnego przedniego 8 w kości udowej 1.A mechatronic system of following trajectory modification, especially a knee brace, characterized in that it is equipped with three drives, where the first drive is a linear drive 5, which is connected on one side by an upper rear joint 7 to the femur 1, and on the other hand by a lower rear joint 6 with the tibia 2, the second central rotary drive 9, which connects the tibia 2 with the front lower element 3, while the third front rotary drive 10 is mounted in a pivot joint connecting the lower element 3, and on the other hand, the upper element 4, which is rotatably mounted by means of a joint upper anterior 8 in femur 1.

Przykład 2Example 2

Mechatroniczny układ, przy czym napęd obrotowy centralny 9 jest umiejscowiony bezpośrednio przy kości piszczelowej 2 lub w przegubie 8 przy kości udowej 1.A mechatronic system, the central rotary drive 9 being located directly at the tibia 2 or in the joint 8 at the femur 1.

Mechatroniczny układ do nadążnej modyfikacji trajektorii, zwłaszcza ortezy kolana odwzorowuje złożony ruch stawu kolanowego czyli względny ruch między kością udową 1 i kością piszczelową 2. Napęd obrotowy centralny 9 zapewnia pośrednio ruch całego mechanizmu i zgięcie kolana. Bezpośrednio napęd obrotowy centralny 9 zapewnia ruch obrotowy względny elementu dolnego przedniego 3 i kości piszczelowej 2 łącząc ze sobą w sposób obrotowy te dwa elementy. Element dolny przedni 3 zamocowany jest obrotowo napędem obrotowym przednim 10 do elementu górnego przedniego 4, a ten zamocowany jest przegubem górnym przednim 8 do kości udowej 1 na zarysie kolana 11. W celu poruszenia kości udowej 1 lub kości piszczelowej 2 należy wykonać ruch napędu obrotowego centralnego 9. Odwzorowanie złożonego ruchu stawu kolanowego zwłaszcza trajektorii chwilowego środka obrotu jest możliwe dzięki zastosowaniu napędu obrotowego przedniego 10 i napędu liniowego 5. Napęd obrotowy przedni 10 zapewnia ruch obrotowy względny elementu dolnego przedniego 3 i elementu górnego przedniego 4, łącząc je w sposób obrotowy. Sterowanie w czasie rzeczywistym kątem obrotu napędu obrotowego przedniego 10 i długością napędu liniowego 5 powoduje zmianę położenia chwilowego środka obrotu według żądanej trajektorii. Kąt napędu obrotowego przedniego 10 i długość napędu liniowego 5 można zmieniać niezależnie od siebie nawzajem dzięki obrotowemu zamocowaniu napędzanych elementów do kości udowej 1 i kości piszczelowej 2. Element górny przedni 4 jest zamocowany do kości udowej 1 przegubem górnym przednim 8, a element dolny przedni 3 do kości piszczelowej 2 napędem obrotowym centralnym 9. Napęd liniowy 5 jest zamocowany do kości udowej 1 przegubem górnym tylnym 7, a do kości piszczelowej 2 przegubem dolnym tylnym 6. Odpowiednie dostosowanie trajektorii jest zapewnione poprzez wprowadzenie elementu o zmiennej długości napędu liniowego 5 i elementów 3, 4, (dwuwahacz) oraz pełnej kontroli odległości między przegubami obrotowymi 6, 7, 8 i 9, będącymi punktami ich zamocowania do kości udowej 1 i piszczelowej 2, poprzez zastosowanie mechatronicznych napędów liniowych i obrotowych: napęd liniowy 5 oraz napęd obrotowy przedni 10. 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.The mechatronic system for follow-up modification of the trajectory, especially the knee brace, reproduces the complex movement of the knee joint, i.e. the relative movement between the femur 1 and the tibia 2. The central pivot drive 9 indirectly provides movement of the entire mechanism and bending of the knee. Directly the central rotary drive 9 provides relative rotational movement of the lower front element 3 and the tibia 2, rotating the two elements together. The lower front element 3 is rotatably fastened with the front rotary drive 10 to the upper front element 4, and this is fastened with the upper front joint 8 to the femur 1 on the outline of the knee 11. In order to move the femur 1 or tibia 2, the central rotary drive must be moved 9. The mapping of the complex motion of the knee joint, in particular the trajectory of the instantaneous center of rotation, is possible thanks to the front pivot drive 10 and the linear drive 5. The front pivot drive 10 provides relative rotational movement of the front lower element 3 and the front upper element 4, connecting them in a pivotal manner. The real-time control of the angle of rotation of the front rotary drive 10 and the length of the linear drive 5 causes the position of the instantaneous center of rotation to change according to the desired trajectory. The angle of the front rotary drive 10 and the length of the linear drive 5 can be changed independently of each other thanks to the pivoting attachment of the driven elements to the femur 1 and the tibia 2. The upper front element 4 is attached to the femur 1 by the upper front joint 8, and the lower front element 3 to the tibia 2 with a central rotary drive 9. The linear drive 5 is attached to the femur 1 with the rear upper joint 7, and to the tibia 2 with the lower rear joint 6. Proper adaptation of the trajectory is ensured by inserting a variable length element of the linear drive 5 and elements 3 , 4, (double wishbone) and full control of the distance between the pivot joints 6, 7, 8 and 9, which are the points of their attachment to the femur 1 and tibia 2, through the use of mechatronic linear and rotary drives: linear drive 5 and front rotary drive 10. Previous records can be used to determine the correct trajectory patient movement data. 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.

Claims

Patent claims

1. Mechatronic system of tracking trajectory modification, especially a knee orthosis, characterized in that it is equipped with three drives, where the first drive is a linear drive (5), which is connected on one side with the upper rear joint (7) to the femur (1) on the other hand, the lower rear joint (6) with the tibia (2), the second central rotary drive (9), which connects the tibia (2) with the lower front element (3), while the third front rotary drive (10) is embedded in a pivot joint connecting the lower element (3), and on the other hand, the upper element (4), which is rotatably mounted by means of the upper front joint (8) in the femur (1).

PL 229 343 Β1

2. A mechatronic system according to claim 1, The rotary drive as claimed in claim 1, characterized in that the central rotary drive (9) is located directly at the tibia (2) or in the joint (8) at the femur (1).

3. A mechatronic system according to claim 1. A device as claimed in claim 1, characterized in that the drives (9) and (10) have a magnetic lock for keeping the anterior lower member (3) and the anterior upper member (4) in a fixed position relative to the tibia (2).