PL245153B1

PL245153B1 - Biomechanical prosthesis of the human lower limb

Info

Publication number: PL245153B1
Application number: PL441440A
Authority: PL
Inventors: Michał Cichowicz; Piotr Strobejko; Aleksandra Ogórska; Paweł Herbin
Original assignee: Cichowicz Michal; Ogorska Aleksandra; Piotr Strobejko; Univ West Pomeranian Szczecin Tech
Priority date: 2022-06-10
Filing date: 2022-06-10
Publication date: 2024-05-20
Also published as: PL441440A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest biomechaniczna proteza ludzkiej kończyny dolnej, według wynalazku o dwóch stopniach swobody ruchu, wyposażona w elementy nieruchome i ruchome, w tym silnik z obudową, stopę protetyczną, cięgno, przegub, korpus protezy, czujniki elektromiograficzne, która charakteryzuje się tym, że ma przegub z dwoma parami piast prawa (6a) /lewa (6b) i tylna /przednia, a w każdej z nich jest umieszczone łożysko (8), przy czym łożyska z prawej (6a) i lewej (6b) piasty zamocowane są pierścieniem mocującym (9), a cztery łożyska (8) połączone są krzyżakiem (10). Jedna para piast połączona jest z dolną częścią korpusu, w której zamocowane jest dolne łożysko (8) śruby pociągowej (12), a druga para piast połączona jest z adapterem (13) połączonym ze stopą protetyczną (3). W każdej piaście z jednej pary piast od strony czołowej łożyska (8), są po dwa mocowania na sprężyny ściskane (14), opierające się z jednej strony na zderzaku (15) połączonym z krzyżakiem (10), a od drugiej strony na tulei wzmacniającej (16). Układ sprężyn ściskanych (14) tworzy układ o kącie rozwarcia 50° - 90° skierowany w stronę adaptera (13) lub dolnej części korpusu, odpowiednio z którym elementem piasta jest połączona. Każde łożysko (8) z pary piast niepołączonych ze sprężynami ściskanymi (14) zamocowane jest pierścieniem mocującym (9). Śruba pociągowa (12) z nakrętką (17) zamocowana jest od góry do sprzęgła (18), które jest przykręcone do silnika elektrycznego (1), przy czym śruba pociągowa (12) ułożyskowana jest od góry w górnym łożysku (8) umieszczonym w górnym elemencie mocującym, a od dołu w dolnym łożysku (8) umieszczonym w dolnej części korpusu, a nakrętka (17) usztywniona jest płytką (20) połączoną z mechanizmem przesuwu, przy czym płytka (20) połączona jest ze sztywnym cięgnem (4), które przymocowane jest do adaptera (13), zaś korpus protezy stanowi dolna część korpusu, mocowania ogniwa akumulatorowego, programowalnego mikroelektronicznego układu sterującego i mechanizmu przesuwu oraz górna płyta umieszczona pod obudową.The subject of the application is a biomechanical prosthesis of the human lower limb, according to the invention, with two degrees of freedom of movement, equipped with fixed and movable elements, including a motor with a housing, a prosthetic foot, a cable, a joint, a prosthesis body, and electromyographic sensors, which is characterized by the fact that it has a joint with two pairs of hubs, right (6a) / left (6b) and rear / front, each of which has a bearing (8), with the bearings on the right (6a) and left (6b) hubs being mounted with a mounting ring (9 ), and four bearings (8) are connected with a cross (10). One pair of hubs is connected to the lower part of the body, in which the lower bearing (8) of the lead screw (12) is mounted, and the other pair of hubs is connected to the adapter (13) connected to the prosthetic foot (3). In each hub, from one pair of hubs, on the front side of the bearing (8), there are two compression spring mounts (14), supported on one side by a bumper (15) connected to a cross (10) and on the other side by a reinforcing sleeve. (16). The system of compression springs (14) creates a system with an opening angle of 50° - 90° directed towards the adapter (13) or the lower part of the body, depending on which element the hub is connected to. Each bearing (8) of the pair of hubs not connected to the compression springs (14) is fastened with a mounting ring (9). The lead screw (12) with a nut (17) is attached from above to the clutch (18), which is screwed to the electric motor (1), and the lead screw (12) is mounted from above in the upper bearing (8) located in the upper fastening element, and from the bottom in the lower bearing (8) located in the lower part of the body, and the nut (17) is stiffened with a plate (20) connected to the sliding mechanism, and the plate (20) is connected to a rigid cable (4), which is attached to the adapter (13), and the body of the prosthesis consists of the lower part of the body, the battery cell mount, the programmable microelectronic control system and the sliding mechanism, and the upper plate located under the housing.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest biomechaniczna proteza ludzkiej kończyny dolnej o dwóch stopniach swobody ruchu (2 DoF) w kostce. Biomechaniczna proteza ludzkiej kończyny dolnej według wynalazku ma zastosowanie jako zastąpienie brakującej kończyny - odcinka podudzia.The subject of the invention is a biomechanical prosthesis of the human lower limb with two degrees of freedom of movement (2 DoF) at the ankle. The biomechanical prosthesis of the human lower limb according to the invention is used to replace the missing limb - a section of the lower leg.

Koreański opis patentowy KR101846381B1 ujawnia, że obecność dwóch stopni swobody ruchu można uzyskać poprzez zastosowanie pojedynczych przegubów o jednym stopniu swobody ruchu w dwóch miejscach: połączenie palce-śródstopie w celu uzyskania ruchu w jednej osi oraz połączenia kostka-łydka jako drugi przegub o jednym stopniu swobody ruchu w celu zapewnienia mobilności w drugiej osi. Z chińskiego opisu zgłoszeniowego CN113827381A wynika, że można zastosować przegub o dwóch stopniach swobody ruchu w kostce, stabilizowany dodatkowo dwoma cięgnami, które ograniczają ruch stopy w jednej z osi. Ponadto, w celu wykonania ruchu zastosowano jeden silnik, który jest bezpośrednio sprzężony z górną częścią przegubu o dwóch stopniach swobody ruchu. W publikacji E. A. Rogers, M. E. Carney, S. H. Yeon, T. R. Clites, D. Solav i H. M. Herr, An Ankle-Foot Prosthesis for Rock Climbing Augmentation, IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering (Volume: 29), 23 October 2020, str. 41-51 zaprezentowano sterowaną elektromiograficznie (EMG) protezę stawu skokowo do wspinaczki skałkowej o dwóch stopniach swobody (2 DoF).Korean patent KR101846381B1 discloses that the presence of two degrees of freedom of movement can be achieved by using single joints with one degree of freedom of movement in two places: the toe-metatarsal joint to obtain movement in one axis and the ankle-calf joint as a second joint with one degree of freedom movement to ensure mobility in the second axis. The Chinese application description CN113827381A shows that a joint with two degrees of freedom of movement at the ankle can be used, additionally stabilized by two cables that limit the movement of the foot in one of the axes. Moreover, to perform the movement, one motor was used, which is directly coupled to the upper part of the joint with two degrees of freedom of movement. In E. A. Rogers, M. E. Carney, S. H. Yeon, T. R. Clites, D. Solav, and H. M. Herr, An Ankle-Foot Prosthesis for Rock Climbing Augmentation, IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering (Volume: 29), October 23, 2020, pp .41-51 presented an electromyographically (EMG) controlled ankle joint prosthesis for rock climbing with two degrees of freedom (2 DoF).

Problemem technicznym znanych rozwiązań jest możliwość upodobnienia protezy do ludzkiej kończyny, tzn. aby miała, tak jak ludzka kostka - dwa stopnie swobody ruchu, przy czym ten stopień swobody ruchu odpowiadający za ruch w płaszczyźnie czołowej (kierunki lewo-prawo) powinien zostać ograniczony w taki sposób, aby stopa nie wychylała się za mocno/w nienaturalny sposób (nie nastąpiła tzw. hipermobilność, czyli nadmierne wychylenie stawu, czyli do większych zakresów kątowych niż u standardowego człowieka), czego nie ma w innych protezach.The technical problem of known solutions is the possibility of making the prosthesis similar to a human limb, i.e. it should have, like a human ankle, two degrees of freedom of movement, and this degree of freedom of movement responsible for movement in the frontal plane (left-right directions) should be limited in such a way a way so that the foot does not lean too much/in an unnatural way (there is no so-called hypermobility, i.e. excessive inclination of the joint, i.e. to larger angular ranges than in a standard human), which is not the case in other prostheses.

Biomechaniczna proteza ludzkiej kończyny dolnej, według wynalazku, o dwóch stopniach swobody ruchu wyposażona w elementy nieruchome i ruchome, w tym silnik z obudową, stopę protetyczną, cięgno (ograniczające ruch sprężysty stopy), przegub, korpus protezy (zabezpieczających części czynne), czujniki elektromiograficzne, charakteryzuje się tym, że ma przegub z dwoma parami piast: prawa/lewa oraz tylna/przednia, a w każdej z piast jest umieszczone łożysko. Te cztery łożyska połączone są ze sobą krzyżakiem. Jedna para piast połączona jest z dolną częścią korpusu protezy, w której otworze zamocowane jest dolne łożysko śruby pociągowej (połączenie z przegubem od góry). Druga para piast połączona jest z adapterem (połączenie z przegubem od dołu). Każda z par piast może być połączona z dolną częścią korpusu protezy albo adapterem, dla działania protezy nie ma to znaczenia. Połączenie piast z adapterem albo z dolną częścią korpusu jest realizowane w ten sposób, że piasty są modularne, czyli stanowią monolit (jeden odlew, jeden element wytworzony techniką przyrostową itp.) z adapterem albo z dolną częścią korpusu albo stanowią odrębne elementy połączone ze sobą np. na wcisk, przykręcone do siebie, pospawane itp. Adapter połączony jest ze stopą protetyczną. W każdej piaście z jednej pary piast, od strony czołowej łożyska- na zewnątrz przegubu, są po dwa mocowania na sprężyny ściskane. Na każdą piastę w parze przypadają dwie sprężyny ściskane. Każda sprężyna ściskana opiera się z jednej strony na zderzaku połączonym z krzyżakiem, a od drugiej strony na tulei wzmacniającej, stanowiącej mocowanie sprężyny. Układ dwóch sprężyn ściskanych w każdej z dwóch piast tworzy układ o kącie rozwarcia 50-90°, skierowany w stronę elementu, z którym połączona jest piasta, czyli odpowiednio w stronę adaptera lub dolnej części korpusu. Oznacza to, że układ sprężyn może być skierowany ku górze lub ku dołowi i może być w obu tych wariantach, zastosowany albo na parze piast prawo/lewo albo na parze piast tył/przód. Każde łożysko z pary piast niepołączonych ze sprężynami ściskanymi zamocowane jest pierścieniem mocującym (w piastach połączonych ze sprężynami ściskającymi zderzak i mocowanie sprężyn unieruchamia łożysko). Dwa zestawy dwóch sprężyn zostały zastosowane w celu ograniczenia ruchu (usztywnienia) w płaszczyźnie czołowej, czyli ruchu prawo-lewo. Zapobiega on nadmiernemu wychylaniu się stopy na boki oraz umożliwia dostosowanie się do powierzchni, po której użytkownik w danym momencie się przemieszcza. Ogranicza on zakres ruchu do +/- 25 stopni (0,44 rad), co odpowiada zakresowi ruchu rzeczywistej stopy. Śruba pociągowa z nakrętką zamocowana jest od góry do sprzęgła, które jest przykręcone do silnika elektrycznego. Śruba pociągowa ułożyskowana jest od góry w górnym łożysku umieszczonym w otworze w górnym elemencie mocującym, a od dołu w dolnym łożysku umieszczonym w otworze dolnej części korpusu prote zy. Nakrętka usztywniona jest płytką połączoną z mechanizmem przesuwu nakrętki. Płytka połączona jest ze sztywnym cięgnem, które przymocowane jest do adaptera. Śruba pociągowa porusza się przy pomocy silnika bezszczotkowego prądu stałego (BLDC), nakrętki na śrubie pociągowej oraz płytka poruszają się dzięki mechanizmowi przesuwu. Korpus protezy stanowi dolna część korpusu protezy, mocowanie ogniwa akumulatorowego, mocowanie programowalnego mikroelektronicznego układu sterującego i mocowanie mechanizmu przesuwu oraz górna płyta umieszczona pod obudową silnika i połączona z górnym elementem mocującym. Górna płyta jest mocowaniem silnika oraz mocowaniem bloku, w którym umiejscowione jest górne łożysko śruby pociągowej. Elementy korpusu protezy mogą stanowić monolit (jeden odlew, jeden element wytworzony techniką przyrostową itp.) albo stanowią odrębne elementy połączone ze sobą np. na wcisk, przykręcone do siebie, pospawane itp. albo są częściowo wykonane jako monolit a częściowo jako osobne elementy. Mocowania ogniwa akumulatorowego, programowalnego mikroelektronicznego układu sterującego i mechanizmu przesuwu mogą mieć postać płyt. Elementy protezy mogą być wykonane z dowolnych materiałów, które pozwolą na spełnienie wymagań do tego typu elementów, w tym stop aluminium 7075, stal HM50, włókno węglowe, materiały polimerowe (np. ABS, PEEK) i inne.Biomechanical prosthesis of the human lower limb, according to the invention, with two degrees of freedom of movement, equipped with fixed and movable elements, including a motor with a housing, a prosthetic foot, a cable (limiting the elastic movement of the foot), a joint, a prosthesis body (protecting active parts), electromyographic sensors , is characterized by having a joint with two pairs of hubs: right/left and rear/front, and each hub has a bearing. These four bearings are connected to each other by a cross. One pair of hubs is connected to the lower part of the prosthesis body, in the hole of which the lower lead screw bearing is mounted (connected to the joint from above). The second pair of hubs is connected to the adapter (connection to the joint from the bottom). Each pair of hubs can be connected to the lower part of the prosthesis body or an adapter, it does not matter for the operation of the prosthesis. The connection of the hubs with the adapter or with the lower part of the body is carried out in such a way that the hubs are modular, i.e. they constitute a monolith (one casting, one element manufactured using additive technology, etc.) with the adapter or with the lower part of the body or they constitute separate elements connected to each other, e.g. . pressed, screwed together, welded, etc. The adapter is connected to the prosthetic foot. In each hub from one pair of hubs, on the front side of the bearing - outside the joint, there are two mountings for compression springs. There are two compression springs for each hub in the pair. Each compression spring rests on one side on a bumper connected to a cross, and on the other side on a reinforcing sleeve that mounts the spring. The system of two springs compressed in each of the two hubs creates a system with an opening angle of 50-90°, directed towards the element to which the hub is connected, i.e. towards the adapter or the lower part of the body, respectively. This means that the spring system can be directed upwards or downwards and in both variants, it can be used either on a pair of right/left hubs or on a pair of rear/front hubs. Each bearing in a pair of hubs not connected to compression springs is mounted with a mounting ring (in hubs connected to compression springs, the bumper and spring mounting immobilize the bearing). Two sets of two springs are used to limit the movement (stiffening) in the frontal plane, i.e. right-left movement. It prevents the foot from leaning excessively to the side and allows it to adapt to the surface on which the user is currently moving. It limits the range of motion to +/- 25 degrees (0.44 rad), which corresponds to the range of motion of the actual foot. The lead screw with nut is attached from above to the clutch, which is screwed to the electric motor. The lead screw is mounted at the top in the upper bearing located in a hole in the upper fastening element, and at the bottom in the lower bearing located in the hole in the lower part of the prosthesis body. The nut is stiffened with a plate connected to the nut sliding mechanism. The plate is connected to a rigid cable that is attached to the adapter. The lead screw is moved by a brushless direct current (BLDC) motor, the nuts on the lead screw and the plate are moved by a sliding mechanism. The prosthesis body consists of the lower part of the prosthesis body, the battery cell mount, the programmable microelectronic control system mount and the sliding mechanism mount, and the top plate located under the motor housing and connected to the upper mount. The top plate is the engine mount and the block mount where the upper lead screw bearing is located. The elements of the prosthesis body may be a monolith (one casting, one element manufactured using additive technology, etc.) or they may be separate elements connected together, e.g. by pressing, screwed to each other, welded, etc., or they are partly made as a monolith and partly as separate elements. Mounts for the battery cell, programmable microelectronic control system and sliding mechanism may be in the form of plates. The elements of the prosthesis can be made of any materials that will meet the requirements for this type of elements, including 7075 aluminum alloy, HM50 steel, carbon fiber, polymer materials (e.g. ABS, PEEK) and others.

Korzystnie mechanizm przesuwu stanowi wózek i szyna lub zestaw oś pociągowa prowadnicedwie takie same prowadnice liniowe (ta sama długość, ten sam kształt).Preferably, the sliding mechanism consists of a carriage and a rail or a set of axle guides and the same linear guides (same length, same shape).

W wynalazku zastosowano przegub 2 DoF w celu umożliwienia użytkownikowi więk szej kontroli nad sztuczną częścią kończyny, co ponadto zmniejszy ryzyko upadku na wypadek postawienia stopy na nierównej powierzchni. Proteza jest wyposażona w mechanizm zbudowany z silnika przymocowanego bezpośrednio do mechanizmu śrubowego (śruby pociągowej i nakrętki). Umożliwi to w pełni aktywny ruch stopą w płaszczyźnie strzałkowej. Ruch odbywa się na zasadzie przemieszczania nakrętki mechanizmu śrubowego. Jako element pośredniczący w przekazywaniu siły z nakrętki pociągowej na stopę zostało użyte sztywne cięgno. Ma ono na celu zapewnienie kontroli użytkownikowi protezy. Całe sterowanie realizowane jest przy pomocy dedykowanego algorytmu zaimplementowanego na programowalnym mikroelektronicznym układzie sterującym zainstalowanym w protezie, do którego podłączone zostaną czujniki elektromiograficzne (EMG) współpracujące z pozostałością nogi po amputacji, czyli kikutem. Na podstawie sygnałów pochodzących z układu elektromiografii, sztuczna sieć neuronowa zaimplementowana w programowalnym mikroelektronicznym układzie sterującym wyznaczy zadane położenie dla silnika obracającego śrubą pociągową, w wyniku czego nastąpi przemieszczenie się nakrętki zamocowanej na śrubie pociągowej, a tym samym przemieszczenie się mocowania cięgna i zmiana położenia kątowego stopy 2 DoF w płaszczyźnie strzałkowej. Proteza rozwiązuje problem ograniczeń kątowych przy wychyleniu stopy w kierunkach prawo-lewo.The invention uses a 2 DoF joint to allow the user greater control over the artificial part of the limb, which will also reduce the risk of falling if the foot is placed on an uneven surface. The prosthesis is equipped with a mechanism consisting of a motor attached directly to a screw mechanism (lead screw and nut). This will enable fully active movement of the foot in the sagittal plane. The movement is based on the principle of moving the nut of the screw mechanism. A stiff cable was used as an element mediating the transfer of force from the nut to the foot. Its purpose is to provide control to the user of the prosthesis. The entire control is carried out using a dedicated algorithm implemented on a programmable microelectronic control system installed in the prosthesis, to which electromyographic (EMG) sensors cooperating with the remnant of the amputated leg, i.e. the stump, will be connected. Based on signals from the electromyography system, an artificial neural network implemented in a programmable microelectronic control system will determine the set position for the motor rotating the lead screw, which will result in the movement of the nut mounted on the lead screw, and thus the movement of the tie fastening and a change in the angular position of the foot. 2 DoF in the sagittal plane. The prosthesis solves the problem of angular limitations when tilting the foot in the right-left direction.

Zaletą rozwiązania jest zwiększenie mobilności i poprawa funkcjonowania podczas codziennych czynności związanych z chodzeniem, a także umożliwienie aktywnego ruchu dzięki odzwierciedleniu ruchu prawdziwej stopy, która posiada dwa stopnie swobody ruchu w kostce.The advantage of the solution is increased mobility and improved functioning during everyday walking activities, as well as enabling active movement by mirroring the movement of a real foot, which has two degrees of freedom of movement at the ankle.

Wynalazek jest bliżej przedstawiony w przykładach wykonania i na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia protezę w widoku perspektywicznym, Fig. 2 przedstawia protezę w widoku z tyłu, Fig. 3 przedstawia układ sprężyn ściskanych zamocowanych w piaście, połączonej z adapterem, na zderzaku, skierowane ku dołowi w widoku z przodu, Fig. 4 przedstawia układ sprężyn ściskanych zamocowanych w piaście, połączonej z dolną częścią korpusu, na zderzaku w widoku z przodu, Fig. 5 przedstawia protezę bez korpusu i obudowy silnika w widoku perspektywicznym.The invention is further described in embodiments and drawings, in which Fig. 1 shows the prosthesis in a perspective view, Fig. 2 shows the prosthesis in a rear view, Fig. 3 shows a system of compression springs mounted in the hub, connected to the adapter, on the bumper, directed downwards in a front view, Fig. 4 shows the arrangement of compression springs mounted in the hub connected to the lower part of the body, on the bumper in a front view, Fig. 5 shows a perspective view of the prosthesis without the body and the motor housing.

Przykład IExample I

Biomechaniczna proteza ludzkiej kończyny dolnej o dwóch stopniach swobody ruchu wyposażona jest w silnik 1 z obudową 2, stopę protetyczną 3, cięgno 4, korpus protezy, czujniki elektromiograficzne 5. Proteza ma przegub z dwoma parami piast prawa 6a/lewa 6b i tylna 7a/przednia 7b, a w każdej z nich jest umieszczone łożysko 8. Łożyska z prawej 6a i lewej 6b piasty zamocowane są pierścieniem mocującym 9. Cztery łożyska 8 połączone są krzyżakiem 10. Jedna para piast 7a/7b stanowi jeden element z dolną częścią korpusu 11, w której otworze zamocowane jest dolne łożysko 8 śruby pociągowej 12. Druga para piast 6a/6b stanowi jeden element (monolit) z adapterem 13 połączonym ze stopą protetyczną 3. W piaście tylnej 7a i piaście przedniej 7b, od strony czołowej łożyska 8, są po dwa mocowania (kanały, w których są umieszczone( na sprężyny ściskane 14. Każda ze sprężyn ściskanych 14 opiera się z jednej strony na zderzaku 15 połączonym z krzyżakiem 10, a od drugiej strony na tulei wzmacniającej 16. Łukowe sprężyny ściskane 14 umieszczone pomiędzy parą pierwszych zderzaków 15 połączoną z krzyżakiem 10 a parą drugich zderzaków 16 połączoną odpowiednio z piastą tylna 7a/ przednia 7b.The biomechanical prosthesis of the human lower limb with two degrees of freedom of movement is equipped with a motor 1 with a housing 2, a prosthetic foot 3, a tendon 4, a prosthesis body, electromyographic sensors 5. The prosthesis has a joint with two pairs of hubs: right 6a/left 6b and rear 7a/front 7b, and each of them contains a bearing 8. The bearings on the right 6a and left 6b of the hub are mounted with a mounting ring 9. Four bearings 8 are connected with a cross 10. One pair of hubs 7a/7b constitutes one element with the lower part of the body 11, in which the lower bearing 8 of the lead screw 12 is mounted in the hole. The second pair of hubs 6a/6b constitutes one element (monolith) with an adapter 13 connected to the prosthetic foot 3. In the rear hub 7a and the front hub 7b, on the front side of the bearing 8, there are two mountings (channels in which they are placed (on compression springs 14. Each of the compression springs 14 rests on one side on a bumper 15 connected to the cross 10, and on the other side on a reinforcing sleeve 16. Arched compression springs 14 placed between the first pair of bumpers 15 connected to the cross 10 and a pair of second bumpers 16 connected to the rear hub 7a/front 7b, respectively.

Śruba pociągowa 12 z nakrętką 17 zamocowana jest od góry do sprzęgła 18, które jest przykręcone do silnika elektrycznego 1. Śruba pociągowa 12 ułożyskowana jest od góry w górnym łożysku 8 umieszczonym w otworze górnego elementu mocującego 19, a od dołu w dolnym łożysku 8 umieszczonym w otworze dolnej części korpusu 11. Nakrętka 17 usztywniona jest płytką 20 połączoną z mechanizmem przesuwu w postaci wózka 21 i szyny 22. Szyna 22 przymocowana jest do korpusu protezy. Płytka 20 połączona jest ze sztywnym cięgnem 4, które przymocowane jest do adaptera 13. Korpus protezy stanowi dolna część korpusu 11, mocowania ogniwa akumulatorowego 23, programowalnego mikroelektronicznego układu sterującego 24 i mechanizmu przesuwu oraz górna płyta 25 umieszczona pod obudową 2. Korpus protezy wykonany jest z dwóch elementów, gdzie jeden stanowi górna płyta 25, a drugi monolit z dolnej część korpusu 11, mocowań ogniwa akumulatorowego 23, programowalnego mikroelektronicznego układu sterującego 24 i mechanizmu przesuwu.The lead screw 12 with a nut 17 is attached from above to the clutch 18, which is screwed to the electric motor 1. The lead screw 12 is mounted from above in the upper bearing 8 located in the hole of the upper fastening element 19, and from below in the lower bearing 8 located in hole in the lower part of the body 11. The nut 17 is stiffened with a plate 20 connected to a sliding mechanism in the form of a trolley 21 and a rail 22. The rail 22 is attached to the body of the prosthesis. The plate 20 is connected to a rigid cable 4, which is attached to the adapter 13. The body of the prosthesis consists of the lower part of the body 11, the battery cell mount 23, the programmable microelectronic control system 24 and the sliding mechanism, and the upper plate 25 placed under the housing 2. The body of the prosthesis is made of made of two elements, one of which is the upper plate 25 and the other is a monolith of the lower part of the body 11, battery cell mounts 23, programmable microelectronic control system 24 and a sliding mechanism.

Za dwa stopnie swobody w kostce odpowiadają:The two degrees of freedom in the ankle are responsible for:

- nakrętka 17 poruszająca się po śrubie pociągowej 12;- nut 17 moving on the lead screw 12;

- krzyżak 10.- cross 10.

Biomechaniczna proteza ludzkiej kończyny dolnej ma kolejno połączonych ze sobą kilka członów ruchomych oraz nieruchomych. Przede wszystkim człon nieruchomy to obudowa silnika 2 oraz korpus elementów aktywnych zabezpieczający części czynne. Do elementów aktywnych należy zaliczyć: sztywne cięgno 4 ograniczające ruch sprężysty stopy 3, mechanizm śrubowy- śruba pociągowa 12 i nakrętka 17, poruszający się przy pomocy silnika 1, płytka 20 poruszająca się na wózku 21 po specjalnie dociętej szynie 22, elementy ruchome przegubu o dwóch stopniach swobody - piasty 6a/6b i 7a/7b i ich łożyska 8, a także uginająca się stopa 3 o konstrukcji sprężyny płaskiej. Całkowity ruch w płaszczyznach czołowej oraz strzałkowej usztywniony jest przy pomocy czterech sprężyn ściskanych 14. Ponadto, do sterowania wykorzystywany jest programowalny mikroelektroniczny układ sterujący 24, który zasilany jest przy pomocy ogniw akumulatorowych 23.The biomechanical prosthesis of the human lower limb has several movable and stationary elements connected to each other. First of all, the stationary element is the motor housing 2 and the body of the active elements protecting the active parts. The active elements include: a stiff cable 4 limiting the elastic movement of the foot 3, a screw mechanism - a lead screw 12 and a nut 17, moving with the help of a motor 1, a plate 20 moving on a trolley 21 on a specially cut rail 22, movable elements of a joint with two degrees of freedom - hubs 6a/6b and 7a/7b and their bearings 8, as well as a bending foot 3 with a flat spring structure. The total movement in the frontal and sagittal planes is stiffened by four compression springs 14. Moreover, a programmable microelectronic control system 24 is used for control, which is powered by battery cells 23.

Praca silnika 1 powoduje ruch obrotowy śruby pociągowej 12, po której przemieszcza się nakrętka 17, zamocowana w płytce 20, do której zmocowane jest również cięgno 4. Ruch nakrętki 17 w górę powoduje przesunięcie pięty stopy protetycznej 3 w kierunku górnym, a co za tym idzie palców w kierunku dolnym. Dodatkowo płytka 20, w której znajduje się nakrętka 17 przymocowana jest do wózka 21 dzięki czemu ruch odbywa się tylko w kierunku góra i dół po szynie 22. Krzyżak 10, zamocowany w piastach 6a/6b i 7a/7b, tworzy połączenie przegubowe o dwóch stopniach swobody ruchu (2 DoF). Umożliwia ono ruch kostki na boki - lewo-prawo (płaszczyzna czołowa) oraz góra-dół (płaszczyzna strzałkowa).The operation of the engine 1 causes the rotation of the lead screw 12, along which the nut 17 moves, mounted in the plate 20, to which the tie 4 is also attached. The upward movement of the nut 17 causes the heel of the prosthetic foot 3 to move upwards, and thus fingers downwards. Additionally, the plate 20 containing the nut 17 is attached to the carriage 21, thanks to which the movement takes place only in the up and down direction on the rail 22. The cross 10, mounted in the hubs 6a/6b and 7a/7b, creates a two-degree articulation connection freedom of movement (2 DoF). It allows the ankle to move sideways - left-right (frontal plane) and up-down (sagittal plane).

Przykład IIExample II

Proteza wykonana analogicznie jak w przykładzie I, przy czym para piast 7a/7b połączona jest na wcisk z adapterem 13, a para piast 6a/6b przykręcona jest do dolnej części korpusu 11. Układ sprężyn ściskanych 14 połączony jest z parą piast 6a/6b i jest skierowany ku dołowi. Elementy korpusu protezy stanowią odrębne elementy połączone ze sobą poprzez spawy.The prosthesis is made analogously to example I, with the pair of hubs 7a/7b being press-fitted to the adapter 13, and the pair of hubs 6a/6b being screwed to the lower part of the body 11. The system of compression springs 14 is connected to the pair of hubs 6a/6b and is directed downwards. The elements of the prosthesis body are separate elements connected to each other by welds.

Przykład IIIExample III

Proteza wykonana analogicznie jak w przykładzie I, przy czym para piast 7a/7b stanowi jeden element z adapterem 13 i ku niemu skierowany jest rozwarciem układ sprężyn ściskanych 14.The prosthesis is made analogously to example I, with the pair of hubs 7a/7b constituting one element with the adapter 13 and the system of compression springs 14 directed towards it.

Claims

1. Biomechanical prosthesis of the human lower limb with two degrees of freedom of movement, equipped with fixed and movable elements, including a motor with a housing, prosthetic foot, cable, joint, prosthesis body, electromyographic sensors, characterized in that it has a joint with two pairs of right hubs ( 6a)/ left (6b) and rear (7a)/ front (7b), and in each of them there is a bearing (8), and four bearings (8) are connected with a cross (10), and one pair of hubs is connected to the lower one part of the body (11) in which the lower bearing (8) of the lead screw (12) is mounted, and the second pair of hubs is connected to the adapter (13) connected to the prosthetic foot (3), and in each hub from one pair of hubs, on the side front bearing (8), there are two mountings for compression springs (14), based on the bumper (15) connected to the cross (10) on one side, and on the reinforcing sleeve (16) on the other side, the system of compression springs (14) creates a system with an opening angle of 50-90°, directed towards the adapter (13) or the lower part of the body, respectively to which element the hub is connected, and each bearing (8) from a pair of hubs not connected with compression springs (14) mounted is a fastening ring (9), where the lead screw (12) with nut (17)

PL 245153 B1 5 is attached from above to the clutch (18), which is screwed to the electric motor (1), and the lead screw (12) is mounted from above in the upper bearing (8) located in the upper mounting element (19), and from the bottom in the lower bearing (8) located in the lower part of the body (11), and the nut (17) is stiffened with a plate (20) connected to the sliding mechanism, and the plate (20) is connected to a rigid cable (4), which is attached to the adapter (13), and the body of the prosthesis consists of the lower part of the body (11), the battery cell mount (23), the programmable microelectronic control system (24) and the sliding mechanism, and the upper plate (25) placed under the housing (2).

2. Biomechanical prosthesis of the human lower limb according to claim. 1, characterized in that the sliding mechanism consists of a trolley (21) and a rail (22) or two linear guides.