RU204675U1

RU204675U1 - MULTI-COORDINATE DRIVE FOR PROSTHESIS WITH DIGITAL CONTROL SYSTEM

Info

Publication number: RU204675U1
Application number: RU2020139674U
Authority: RU
Inventors: Руслан Рустемович Уразбахтин
Original assignee: Руслан Рустемович Уразбахтин
Priority date: 2020-12-01
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2021-06-04

Abstract

Использование: область протезирования, конкретнее область приводов, обеспечивающих движение в неимплантируемых протезах суставов.Технический результат: повышение быстродействия привода для протеза, за счет применения постоянных магнитов на роторе привода, постоянного кольцевого магнита и цифровой системы позиционирования ротора.Сущность полезной модели: электромеханический привод протезов, содержащий электродвигатель и выходной элемент, у которого выходной элемент выполнен в виде крепления для механического элемента с возможностью восполнения человеку функции, утраченной при повреждении или утере части тела, ротор с постоянными магнитами, постоянный кольцевой магнит, соединенный с каркасами электромагнитов посредством креплений для постоянного кольцевого магнита, выполненных из немагнитопроводящего материала, три фазные обмотки, закрепленные на каркасах электромагнитов, каркас, выполненный из неэлектропроводящего материала, прикрепленный к каркасам для электромагнитов, датчики положения ротора, прикрепленные к креплениям для постоянного кольцевого магнита, цифровую систему управления и общий источник питания, электрически соединенные между собой и с электродвигателем, корпус, выполненный из биосовместимого неэлектропроводящего материала, и крепление к протезируемой части тела, выполненное из биосовместимого неэлектропроводящего материала, соединенное с корпусом.Usage: the area of prosthetics, more specifically the area of drives that provide movement in non-implantable joint prostheses. Technical result: increasing the speed of the drive for the prosthesis, due to the use of permanent magnets on the drive rotor, a permanent ring magnet and a digital rotor positioning system. containing an electric motor and an output element, in which the output element is made in the form of an attachment for a mechanical element with the possibility of replenishing the function of a person lost in case of damage or loss of a part of the body, a rotor with permanent magnets, a permanent ring magnet connected to the frames of electromagnets by means of fasteners for a permanent annular magnet made of non-magnetically conductive material, three phase windings fixed on the frames of electromagnets, frame made of non-conductive material, attached to frames for electromagnets, position sensors i rotor, attached to mountings for a permanent ring magnet, a digital control system and a common power supply, electrically connected to each other and to an electric motor, a housing made of a biocompatible non-conductive material, and an attachment to a prosthetic body part made of a biocompatible non-conductive material, connected to body.

Description

Полезная модель относится к области протезирования, конкретнее к области приводов, обеспечивающих движение в неимплантируемых протезах суставов.The utility model relates to the field of prosthetics, more specifically to the field of drives that provide movement in non-implantable joint prostheses.

Известен протез сустава, содержащий электродвигатель, ротор, выполненный в виде постоянного магнита сферической формы с возможностью движения протеза сустава по одной, двум или трем степеням свободы, крепление для соединения статора протеза сустава со сферическим электродвигателем с культей и крепление для соединения ротора протеза сустава со сферическим электродвигателем с частью тела человека или ее искусственным заменителем [Патент РФ №189275, A61F 2/70, 17.09.2018].Known joint prosthesis containing an electric motor, a rotor made in the form of a permanent magnet of a spherical shape with the possibility of movement of the joint prosthesis in one, two or three degrees of freedom, an attachment for connecting the stator of the joint prosthesis with a spherical electric motor with a stump and an attachment for connecting the rotor of the joint prosthesis with a spherical an electric motor with a part of the human body or its artificial substitute [RF Patent No. 189275, A61F 2/70, 17.09.2018].

Недостатком аналога является высокая масса и невысокие точность и скорость позиционирования ротора, за счет выполнения ротора в виде сферического постоянного магнита.The disadvantage of the analogue is the high weight and low accuracy and speed of positioning the rotor, due to the implementation of the rotor in the form of a spherical permanent magnet.

Известен сферический двигатель, характеризующийся наличием механизма для обнаружения работы ротора сферического двигателя, который может вращаться в произвольном направлении, с оптическим датчиком положения, имеющим выходное число три или более [JP 2013150426 (А), H02K 11/00, 01.08.2013].Known spherical motor, characterized by the presence of a mechanism for detecting the operation of the rotor of a spherical motor, which can rotate in an arbitrary direction, with an optical position sensor having an output number of three or more [JP 2013150426 (A), H02K 11/00, 01.08.2013].

Недостатками аналога являются невысокие быстродействие и надежность, за счет применения сложной системы управления, содержащей оптические датчики.The disadvantages of the analog are low speed and reliability due to the use of a complex control system containing optical sensors.

Известен сферический двигатель с множеством степеней свободы и его редукционный механизм, включающий в себя ротор, редукционный механизм и статор. Ротор двигателя включает в себя ротор и постоянные магниты. Редукционный механизм включает в себя обойму, шарики, выходной корпус, метки и постоянные магниты. Статор сферического двигателя состоит из опоры статора и электромагнита. Ротор представляет собой полую сферу, поверхность которой равномерно покрыта рядами ступенчатых отверстий. Поверхность ротора равномерно инкрустирована рядом меток. Магниты прикрепляются к ступенчатым отверстиям ротора. Обойма представляет собой конструкцию из полых сфер, расположенных вне ротора. Неподвижное гнездо магнита установлено на поверхности обоймы, а неподвижный магнит размещен на поверхности обоймы. Ряд сквозных отверстий для шариков равномерно расположен на поверхности обоймы. Выходной корпус представляет собой полую сферическую конструкцию, расположенную вне ротора. Шарики помещены в сквозные отверстия ротора, а внешние поверхности контактируют с внешней поверхностью ротора и внутренней поверхностью выходного корпуса соответственно. На опоре статора несколько пазов для электромагнитов равномерно расположены на внутренней поверхности. Электромагниты закреплены внутри пазов электромагнита. Магнитные полюса двух соседних электромагнитов имеют противоположные полярности, а полюса электромагнитов и постоянных магнитов имеют одинаковые полярности. Внутренняя поверхность опоры статора имеет ряд равномерно расположенных на ней датчиков положения ротора. Датчик положения совмещен с соответствующей меткой. Опора статора снабжена седлом магнита, в котором расположен постоянный магнит для взаимодействия с постоянным магнитом в держателе [CN 108494203 (А), H02K 1/27,04.09.2018].Known spherical motor with multiple degrees of freedom and its reduction mechanism, which includes a rotor, a reduction mechanism and a stator. The rotor of a motor includes a rotor and permanent magnets. The reduction mechanism includes a clip, balls, output housing, tags and permanent magnets. The stator of a spherical motor consists of a stator support and an electromagnet. The rotor is a hollow sphere, the surface of which is evenly covered with rows of stepped holes. The rotor surface is uniformly inlaid with a series of marks. The magnets are attached to the stepped holes in the rotor. The cage is a structure of hollow spheres located outside the rotor. The stationary magnet seat is installed on the surface of the holder, and the stationary magnet is located on the surface of the holder. A number of through holes for the balls are evenly spaced on the surface of the cage. The outlet casing is a hollow spherical structure located outside the rotor. The balls are placed in the through holes of the rotor, and the outer surfaces are in contact with the outer surface of the rotor and the inner surface of the outlet housing, respectively. On the stator support, several electromagnet slots are evenly spaced on the inner surface. The electromagnets are fixed inside the slots of the electromagnet. The magnetic poles of two adjacent electromagnets have opposite polarities, and the poles of electromagnets and permanent magnets have the same polarity. The inner surface of the stator support has a number of rotor position sensors evenly located on it. The position sensor is aligned with the corresponding mark. The stator support is equipped with a magnet seat in which a permanent magnet is located for interaction with a permanent magnet in the holder [CN 108494203 (A), H02K 1 / 27.04.09.2018].

Недостатками аналога являются невысокое быстродействие и высокие массогабаритные показатели, обусловленные многокомпонентностью аналога и сложностью его системы управления.The disadvantages of the analog are low performance and high weight and size indicators, due to the multicomponent nature of the analog and the complexity of its control system.

Известен асинхронный электродвигатель со сферическим полым короткозамкнутым ротором, содержащий корпус, гладкий полый сферический ротор с покрытием и бесконтактным подвесом, дуговые статоры по трем координатам с трехфазными обмотками возбуждения. Дополнительно введены датчики момента, источники света, сравнивающие элементы, задатчики момента, расширяющие элементы, источники питания и световоды, выходы которых обращены к поверхности ротора, а входы соединены с источниками света. Статоры двигателя крепятся к корпусу через датчики момента, выходы которых соединены с первыми входами сравнивающих элементов, вторые входы которых связаны с задатчиками моментов, а выходы регулирующих элементов связаны с источниками света. Использование в асинхронном двигателе фоторезистивного покрытия ротора, источников света, световодов, расположенных в межпакетных пространствах дуговых статоров, позволяет расширить применение двигателя путем регулирования частоты вращения изменением активного сопротивления активного короткозамкнутого ротора [авторское свидетельство СССР №1737641, H02K 17/02, 30.05.1992].Known asynchronous electric motor with a spherical hollow squirrel-cage rotor, containing a housing, a smooth hollow spherical rotor with a coating and contactless suspension, arc stators in three coordinates with three-phase excitation windings. Additionally introduced are torque sensors, light sources that compare elements, torque generators, expanding elements, power sources and light guides, the outputs of which are directed to the rotor surface, and the inputs are connected to the light sources. The motor stators are attached to the body through torque sensors, the outputs of which are connected to the first inputs of the comparison elements, the second inputs of which are connected to the torque generators, and the outputs of the control elements are connected to the light sources. The use of a photoresistive rotor coating, light sources, light guides located in the interpacket spaces of arc stators in an asynchronous motor makes it possible to expand the application of the motor by regulating the speed of rotation by changing the active resistance of the active squirrel-cage rotor [USSR author's certificate No. 1737641, H02K 17/02, 05/30/1992] ...

Недостатком аналога являются высокие массогабаритные показатели за счет наличия дуговых статоров по трем координатам, невысокая надежность и невысокое быстродействие за счет применения сложной многокомпонентной системы управления.The disadvantages of the analog are high weight and dimensions due to the presence of arc stators in three coordinates, low reliability and low speed due to the use of a complex multicomponent control system.

Известен магнитосферический гироскоп, предназначенный для использования в качестве двухосного инерциального блока. Гироскоп содержит сферический ротор, двухкоординатные датчики угла и момента, верхний и нижний статоры подвеса ротора с электромагнитными обмотками, резонансные конденсаторы и диодные демпфирующие мосты. Мосты последовательно соединены с электромагнитными обмотками. Гироскоп дополнительно содержит блок выработки составляющих ускорения и электродвигатель. Сферический ротор снабжен токопроводящим пояском. В диагонали диодных демпфирующих мостов включены корректирующие контуры. Блок выработки составляющих ускорения включает сумматоры и усилители-преобразователи. Входы сумматоров подключены параллельно входам корректирующих контуров попарно для каждой из четырех осей подвеса ротора. Входы первого усилителя-преобразователя соединены с выходами первого и третьего сумматоров, входы второго усилителя-преобразователя с выходами второго и четвертого сумматоров, выходы третьего усилителя-преобразователя с выходами всех четырех сумматоров [патент РФ №2126135, G01C 19/24, 10.02.1999].Known magnetospherical gyroscope, intended for use as a biaxial inertial unit. The gyroscope contains a spherical rotor, two-dimensional angle and torque sensors, upper and lower stators of the rotor suspension with electromagnetic windings, resonant capacitors and diode damping bridges. The bridges are connected in series with electromagnetic windings. The gyroscope additionally contains a unit for generating acceleration components and an electric motor. The spherical rotor is equipped with a conductive belt. Corrective circuits are included in the diagonals of the diode damping bridges. The block for generating acceleration components includes adders and amplifiers-converters. The inputs of the adders are connected in parallel to the inputs of the correcting circuits in pairs for each of the four axes of the rotor suspension. The inputs of the first amplifier-converter are connected to the outputs of the first and third adders, the inputs of the second amplifier-converter with the outputs of the second and fourth adders, the outputs of the third amplifier-converter with the outputs of all four adders [RF patent No. 2126135, G01C 19/24, 10.02.1999] ...

Недостатками аналога являются высокая масса, возможность применения устройства только в отслеживающих системах, невозможность придания движения сферическому ротору за счет внешнего магнитного поля, невысокая надежность за счет применения сложной многокомпонентной системы управления.The disadvantages of the analog are high weight, the possibility of using the device only in tracking systems, the impossibility of imparting motion to a spherical rotor due to an external magnetic field, low reliability due to the use of a complex multicomponent control system.

Известен многокоординатный шаговый электродвигатель, содержащий неподвижный плоский зубчатый индуктор и подвижные якоря с зубчатыми магнитопроводами и фазными обмотками управления, укрепленные в общем корпусе с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной плоскости индуктора, якоря которого снабжены двумя группами магнитопроводов, симметрично расположенных относительно осей вращения якорей, причем направления нарезки зубцовых групп магнитопроводов взаимно перпендикулярны [авторское свидетельство СССР №1119131, H02K 41/02, 24.07.1983].Known multi-axis stepping motor containing a stationary flat gear inductor and movable armatures with gear magnetic circuits and phase control windings, reinforced in a common housing with the ability to rotate around an axis perpendicular to the plane of the inductor, the armatures of which are equipped with two groups of magnetic circuits, symmetrically located relative to the axes of rotation of the armatures, and the directions of cutting of the toothed groups of magnetic circuits are mutually perpendicular [USSR author's certificate No. 1119131, H02K 41/02, 07.24.1983].

Недостатками аналога являются высокие массогабаритные показатели за счет применения двух групп магнитопроводов, невозможность обеспечения плавного перемещения ротора, сложность производства и сборки.The disadvantages of the analog are high weight and dimensions due to the use of two groups of magnetic circuits, the impossibility of ensuring smooth movement of the rotor, the complexity of production and assembly.

Ближайшим аналогом является электромеханический привод протезов конечностей, который содержит реверсивный электродвигатель с выходным валом, соединенным со входным валом дифференциального редуктора, на диаметральных точках выходного вала которого закреплены параллельные нити первой группы. Параллельные нити дополнительной группы закреплены на диаметральных точках дифференциальной коробки редуктора, в которой размещены сателлиты [Патент РФ №2123312, A61F 2/56, 20.12.1998].The closest analogue is the electromechanical drive of limb prostheses, which contains a reversible electric motor with an output shaft connected to the input shaft of a differential gearbox, at the diametrical points of the output shaft of which parallel threads of the first group are fixed. Parallel threads of the additional group are fixed at the diametrical points of the differential gearbox, in which the satellites are located [RF Patent No. 2123312, A61F 2/56, 20.12.1998].

Недостатком ближайшего аналога являются обеспечение движения только по одной степени свободы и высокие массогабаритные показатели, за счет использования сложных механических систем для передачи движения.The disadvantages of the closest analogue are the provision of motion only along one degree of freedom and high weight and dimensions, due to the use of complex mechanical systems for the transmission of motion.

Задача полезной модели - снижение массогабаритных показателей электромеханического привода протезов для повышения быстродействия электромеханического привода протезов.The task of the utility model is to reduce the weight and dimensions of the electromechanical drive of prostheses to increase the speed of the electromechanical drive of prostheses.

Технический результат предлагаемого многокоординатного привода для протеза с цифровой системой управления - повышение быстродействия привода для протеза, за счет снижения массогабаритных показателей, за счет применения постоянных магнитов на роторе привода, постоянного кольцевого магнита и цифровой системы управления.The technical result of the proposed multi-axis drive for a prosthesis with a digital control system is to increase the speed of the drive for the prosthesis, by reducing the weight and dimensions, due to the use of permanent magnets on the drive rotor, a permanent ring magnet and a digital control system.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что электромеханический привод протезов, содержащий электродвигатель и выходной элемент, в отличие от прототипа, содержит выходной элемент, выполненный в виде крепления для механического элемента с возможностью восполнения человеку функции, утраченной при повреждении части тела, содержит ротор с постоянными магнитами, постоянный кольцевой магнит, соединенный с каркасами электромагнитов посредством креплений для постоянного кольцевого магнита, выполненных из немагнитопроводящего материала, три фазные обмотки, закрепленные на каркасах электромагнитов, каркас, выполненный из неэлектропроводящего материала, прикрепленный к каркасам для электромагнитов, датчики положения ротора, прикрепленные к креплениям для постоянного кольцевого магнита, цифровое средство управления и общий источник питания, электрически соединенные между собой и с электродвигателем, корпус, выполненный из биосовместимого неэлектропроводящего материала, и крепление к протезируемой части тела, выполненное из биосовместимого неэлектропроводящего материала, соединенное с корпусом.The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that the electromechanical drive of prostheses containing an electric motor and an output element, in contrast to the prototype, contains an output element made in the form of an attachment for a mechanical element with the possibility of replenishing the function of a person lost when a part of the body is damaged contains permanent magnet rotor, permanent ring magnet connected to electromagnet frames by means of permanent ring magnet mounts made of non-magnetically conductive material, three phase windings attached to electromagnet frames, frame made of non-conductive material, attached to electromagnet frames, rotor position sensors attached to fixtures for a permanent ring magnet, a digital control device and a common power supply, electrically connected to each other and to an electric motor, a housing made of a biocompatible non-electrically conductive material a, and an attachment to the prosthetic part of the body, made of a biocompatible non-electrically conductive material, connected to the body.

Сущность устройства поясняется чертежами, на которых представлен многокоординатный привод протеза с цифровой системой управления. На фиг. 1 представлена общая схема многокоординатного привода для протеза с цифровой системой управления. На фиг. 2 представлен электродвигатель многокоординатного привода для протеза с цифровой системой управления, размещенные в корпусе. На фиг. 3 представлена блок-схема цифровой системы управления.The essence of the device is illustrated by drawings, which show a multi-axis drive of the prosthesis with a digital control system. FIG. 1 shows a general diagram of a multi-axis drive for a prosthesis with a digital control system. FIG. 2 shows an electric motor of a multi-axis drive for a prosthesis with a digital control system, located in the housing. FIG. 3 is a block diagram of a digital control system.

Многокоординатный привод для протеза с цифровой системой управления состоит из электродвигателя 1, цифровой системы управления 2 (фиг. 1). Электродвигатель 1 многокоординатного привода для протеза с цифровой системой управления состоит из ротора 3, постоянных магнитов 4, механически прикрепленных к ротору 3, постоянного кольцевого магнита 5, трех креплений для постоянного кольцевого магнита 6, трех каркасов электромагнитов 7, механически соединенных с постоянным кольцевым магнитом 5 посредством креплений для постоянного кольцевого магнита 6, трех фазных обмоток 8, механически закрепленных на трех каркасах электромагнитов 7, каркаса 9, механически прикрепленного к трем каркасам электромагнитов 7, трех датчиков положения ротора 10, механически прикрепленных к креплениям для постоянного кольцевого магнита 6, цифровой системой позиционирования ротора 2, электрически соединенной с тремя фазными обмотками 8 и датчиками положения ротора 10. К ротору 3 механически прикреплен выходной элемент 11. Цифровая система управления 2 в свою очередь состоит из шунтов 12, преобразователя напряжения 13, преобразователя питания 14, микроконтроллера 15, трех силовых сборок 16, усилителей сигналов от датчиков положения ротора 17, драйверов силовой части 18, усилителей сигналов 19, электрически связанных между собой (фиг. 3). Многокоординатный привод для протеза с цифровой системой управления содержит общий источник питания 20, электрически соединенный с электродвигателем 1 и цифровой системой управления 2. Общий источник питания 20 электрически соединен с преобразователем напряжения 13 и преобразователем питания 14. Многокоординатный привод для протеза с цифровой системой управления также содержит корпус 21 и крепление к части тела 22, механически соединенные между собой. Электродвигатель 1, цифровая система управления 2 и общий источник питания механически прикреплены к корпусу 21.A multi-axis drive for a prosthesis with a digital control system consists of an electric motor 1, a digital control system 2 (Fig. 1). The electric motor 1 of a multi-axis drive for a prosthesis with a digital control system consists of a rotor 3, permanent magnets 4 mechanically attached to the rotor 3, a permanent ring magnet 5, three mountings for a permanent ring magnet 6, three frames of electromagnets 7 mechanically connected to a permanent ring magnet 5 by means of fasteners for a permanent ring magnet 6, three phase windings 8 mechanically fixed on three frames of electromagnets 7, frame 9 mechanically attached to three frames of electromagnets 7, three rotor position sensors 10 mechanically attached to fasteners for a permanent ring magnet 6, a digital system positioning of the rotor 2, electrically connected to three phase windings 8 and rotor position sensors 10. An output element 11 is mechanically attached to the rotor 3. The digital control system 2, in turn, consists of shunts 12, a voltage converter 13, a power converter 14, microcontrol Oller 15, three power assemblies 16, signal amplifiers from rotor position sensors 17, drivers of the power section 18, signal amplifiers 19, electrically connected to each other (Fig. 3). A multi-axis drive for a prosthesis with a digital control system contains a common power supply 20 electrically connected to an electric motor 1 and a digital control system 2. The common power supply 20 is electrically connected to a voltage converter 13 and a power converter 14. The multi-axis drive for a prosthesis with a digital control system also contains body 21 and attachment to body part 22, mechanically connected to each other. The electric motor 1, digital control system 2 and the common power supply are mechanically attached to the housing 21.

Электродвигатель 1 электрически соединен с общим источником питания 20. Цифровая система управления 2 электрически соединена с общим источником питания 20. Общий источник питания 20 выполняется в виде электрического аккумулятора с возможностью зарядки. Ротор 3 механически соединен с шестью постоянными магнитами 4. Ротор 3 выполнен из немагнитопроводящего материала. Пары постоянных магнитов 4, расположенные диаметрально противоположно друг другу, выполнены с противоположной намагниченностью. Постоянный кольцевой магнит 5 механически соединен с тремя каркасами электромагнитов 7 посредством трех креплений для постоянного кольцевого магнита 6. На каждом из трех каркасов электромагнитов 7 механически закреплена одна из фазных обмоток 8. Крепления для постоянного кольцевого магнита 6 выполнены из немагнитопроводящего материала. Каркасы электромагнитов 7 выполнены из неэлектропроводящего материала. Три каркаса электромагнитов 7 и закрепленные на каждом из них фазные обмотки 8 находятся в защитном корпусе из неэлектропроводящего материала. Три каркаса электромагнитов 7 с закрепленными на каждом из них фазными обмотками 8 механически прикреплены к каркасу 9. Каркас 9 выполнен из неэлектропроводящего материала. Три каркаса электромагнитов 7 с закрепленными на каждом из них фазными обмотками 8 расположены в вершинах правильного треугольника, вписанного в наружную окружность постоянного кольцевого магнита 5. Три датчика положения ротора 10 механически прикреплены к креплениям для постоянного кольцевого магнита 6. Датчики положения ротора 10 расположены в вершинах правильного треугольника, вписанного в наружную окружность постоянного кольцевого магнита 5. Три фазные обмотки 8 и три датчика положения ротора 10 электрически связаны с цифровой системой управления 2. Выходной элемент 11 механически прикреплен к ротору 3. Выходной элемент 11 выполняется из биосовместимого неэлектропроводящего материала. Выходной элемент 11 предназначен для прикрепления к нему механического элемента или устройства, которое позволит восполнить человеку функции, утраченные при повреждении или утере части тела. Цифровая система управления содержит в себе три симметричные части, каждая из которых включает в себя одну из трех фазных обмоток 8 и один датчик положения ротора 10. С каждой из трех фазных обмоток 8 электрически соединен шунт 12. Три фазные обмотки 8 электрически соединены с преобразователем напряжения 13. Преобразователь питания 14 электрически соединен с микроконтроллером 15. Преобразователь питания 14 электрически соединен с датчиками положения ротора 10. Каждая из трех силовых сборок 16 электрически соединена с одной из трех фазных обмоток 8. Каждый из датчиков положения ротора 10 электрически соединен с одним из усилителей сигналов от датчиков положения ротора 17. Каждая из силовых сборок 16 электрически соединена с одним из драйверов силовой части 18. Каждый из трех шунтов 12 электрически соединен с одним из усилителей 19. Усилители сигналов от датчиков положения ротора 17, драйверы силовых частей 18 и усилители 19 электрически соединены с микроконтроллером 15. Преобразователь напряжения 13 и преобразователь питания 14 электрически соединены с общим источником питания 20. Электродвигатель 1, цифровая система управления 2 и общий источник питания 20, электрически соединенные между собой, механически закреплены внутри корпуса 21. Корпус 21 выполняется из биосовместимого неэлектропроводящего материала. Корпус 21 механически соединен с креплением к части тела 22. Крепление к части тела 22 выполняется из биосовместимого неэлектропроводящего материала. Крепление к части тела 22 предназначено для крепления многокоординатного привода для протеза с цифровой системой управления к протезируемой части тела (культе или поврежденной части тела человека). Выходной элемент 11 механически связан с корпусом 21 посредством элемента, обеспечивающего возможность перемещения ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходного элемента 11 относительно корпуса 21. Корпус 21 защищает электродвигатель 1, цифровую систему управления 2 и общий источник питания 20 от внешних воздействий. Элемент, посредством которого выходной элемент 11 механически связан с корпусом 21, может выполняться в виде полой эластичной трубы из биосовместимого неэлектропроводящего материала и служит для предотвращения задевания ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходного элемента 11 о постоянный кольцевой магнит 5. Корпус 21 механически соединен с креплением к части тела 22. Крепление к части тела 22 может выполняться различных размеров и формы в зависимости от того, какие размеры и форму имеет часть тела, к которой крепится многокоординатный привод для протеза с цифровой системой управления.The electric motor 1 is electrically connected to a common power source 20. The digital control system 2 is electrically connected to a common power source 20. The common power source 20 is made in the form of an electric battery with the possibility of charging. Rotor 3 is mechanically connected to six permanent magnets 4. Rotor 3 is made of non-magnetically conductive material. Pairs of permanent magnets 4, located diametrically opposite to each other, are made with opposite magnetization. The permanent ring magnet 5 is mechanically connected to the three frames of the electromagnets 7 by means of three fasteners for the permanent ring magnet 6. On each of the three frames of the electromagnets 7, one of the phase windings is mechanically fixed 8. The fasteners for the permanent ring magnet 6 are made of non-magnetically conductive material. The frames of the electromagnets 7 are made of non-conductive material. Three frames of electromagnets 7 and phase windings 8 fixed on each of them are in a protective case made of non-conductive material. Three frames of electromagnets 7 with phase windings 8 fixed on each of them are mechanically attached to frame 9. Frame 9 is made of non-conductive material. Three frames of electromagnets 7 with phase windings 8 fixed on each of them are located at the vertices of a regular triangle inscribed in the outer circumference of the permanent ring magnet 5. Three position sensors of the rotor 10 are mechanically attached to the mountings for the permanent ring magnet 6. The position sensors of the rotor 10 are located at the vertices a regular triangle inscribed in the outer circumference of a permanent ring magnet 5. Three phase windings 8 and three rotor position sensors 10 are electrically connected to the digital control system 2. Output element 11 is mechanically attached to the rotor 3. Output element 11 is made of biocompatible non-electrically conductive material. The output element 11 is intended for attaching a mechanical element or device to it, which will allow a person to replenish the functions lost when a part of the body is damaged or lost. The digital control system contains three symmetrical parts, each of which includes one of three phase windings 8 and one rotor position sensor 10. A shunt 12 is electrically connected to each of the three phase windings 8. Three phase windings 8 are electrically connected to a voltage converter 13. Power converter 14 is electrically connected to the microcontroller 15. Power converter 14 is electrically connected to the rotor position sensors 10. Each of the three power assemblies 16 is electrically connected to one of the three phase windings 8. Each of the rotor position sensors 10 is electrically connected to one of the amplifiers signals from the rotor position sensors 17. Each of the power assemblies 16 is electrically connected to one of the drivers of the power section 18. Each of the three shunts 12 is electrically connected to one of the amplifiers 19. Signal amplifiers from the rotor position sensors 17, the drivers of the power units 18 and the amplifiers 19 electrically connected to microcontroller 15. Converter voltage 13 and power converter 14 are electrically connected to a common power supply 20. Electric motor 1, digital control system 2 and common power supply 20, electrically connected to each other, are mechanically fixed inside the housing 21. The housing 21 is made of biocompatible non-electrically conductive material. The body 21 is mechanically connected to the attachment to the body part 22. The attachment to the body part 22 is made of a biocompatible non-electrically conductive material. Attachment to body part 22 is intended for attaching a multi-axis drive for a prosthesis with a digital control system to a prosthetic body part (stump or damaged part of the human body). The output element 11 is mechanically connected to the housing 21 by means of an element that allows the rotor 3 with permanent magnets 4 and the output element 11 to move relative to the housing 21. The housing 21 protects the electric motor 1, the digital control system 2 and the common power supply 20 from external influences. The element by means of which the output element 11 is mechanically connected to the housing 21 can be made in the form of a hollow elastic pipe made of a biocompatible non-electrically conductive material and serves to prevent the rotor 3 with permanent magnets 4 and the output element 11 from rubbing against the permanent ring magnet 5. The housing 21 is mechanically connected to attachment to body part 22. Attachment to body part 22 can be made of various sizes and shapes, depending on the size and shape of the body part to which the multi-axis actuator for the digitally controlled prosthesis is attached.

Многокоординатный привод с цифровой системой управления функционирует следующим образом. Между постоянным кольцевым магнитом 5 и постоянными магнитами 4 ротора 3 есть постоянная составляющая магнитного поля, за счет которой ротор 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 не притягивается к постоянному кольцевому магниту 5. Постоянная составляющая магнитного поля между постоянным магнитами 4 и постоянным кольцевым магнитом 5 участвует в образовании общего магнитного поля, за счет которого ротор 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 левитирует над постоянным кольцевым магнитом 5, причем постоянная составляющая магнитного поля между постоянным магнитами 4 и постоянным кольцевым магнитом 5 образована не зависимо от магнитного поля фазных обмоток 8. На три фазные обмотки 8 подается постоянное напряжение через преобразователь напряжения 13. На преобразователь напряжения 13 питание подается от общего источника питания 20. Преобразователь напряжения 13 преобразует напряжение, получаемое от общего источника питания 20, в напряжение для питания трех фазных обмоток 8 с необходимыми параметрами. В результате этого образуется магнитное поле от трех фазных обмоток 8, которое взаимодействует с магнитным полем постоянных магнитов 4 ротора 3. Магнитное поле от трех фазных обмоток 8 является стабилизирующим полем, когда ротор 3 многокоординатного привода с цифровой системой управления не перемещается. В результате суммарного воздействия магнитного поля постоянного кольцевого магнита 5 и магнитного поля от трех фазных обмоток 8 на постоянные магниты 4 ротора 3 ротор 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 левитирует над постоянным кольцевым магнитом статора 5. Шунтами 12 совместно с микроконтроллером 15 измеряется ток трех фазных обмоток 8. Преобразователя питания 14 преобразует и подает питание от общего источника питания 20 для работы микроконтроллера 15. Питание к датчикам положения ротора 10 подается от преобразователя питания 14. При отклонении ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 от устойчивого положения левитации изменяется сигнал от датчиков положения ротора 10, который усиливается усилителями сигналов от датчиков положения ротора 17 и поступает на микроконтроллер 15. В случае нахождения ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 в устойчивом положении левитации от трех датчиков положения ротора 10 поступают одинаковые сигналы на микроконтроллер 15. Если на микроконтроллер 15 поступают различные сигналы от трех датчиков положения ротора 10, то микроконтроллер формирует сигнал управления, который поступает на драйвер силовой части 18. Драйвер силовой части 18 преобразует сигнал управления от микроконтроллера в электрическое воздействие, которое подается на силовую сборку 16. Под электрическими воздействиями от драйвера силовой части 18 срабатывают транзисторы в силовых сборках 16, за счет чего изменяется ток одной или нескольких фазных обмотках 8. Токи в трех фазных обмотках 8 при этом регулярно измеряются посредством шунтов 12, сигнал от которых усиливается в усилителях 19 и поступает для обработки на микроконтроллер 15. Таким образом, формируются необходимые для устойчивой левитации ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 над постоянным кольцевым магнитом 5. При этом сигналы от датчиков положения ротора 10 становятся одинаковыми, что регистрируется микроконтроллером 15. Измерение токов трех фазных обмоток 8 также отвечает за энергоэффективность многокоординатного привода с цифровой системой позиционирования ротора для протезов, обеспечивающих перемещение по нескольким степеням свободы, так как микроконтроллер 15 не позволяет протекать токам через три фазные обмотки 8, которые по значению больше чем необходимые для обеспечения левитации ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 токов трех фазных обмоток 8. После того, как ротор 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 принял устойчивое положение левитации над постоянным кольцевым магнитом 5, цифровая система управления 2 отвечает за необходимые плавные перемещения ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11. Отклонение ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 от текущего положения в необходимое осуществляется следующим образом. От датчиков положения ротора 10 на микроконтроллер 15 подается информация о текущем положении ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11. Информация о текущем положении ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 сравнивается с необходимым положением ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11. Если необходимое положения ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 отличается от текущего положения ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11, то микроконтроллером 15 формируется сигнал управления, который поступает на необходимый или необходимые драйверы силовых частей 18. Выбор необходимого или необходимых драйверов силовых частей 18 осуществляется посредством микроконтроллера 15 в зависимости от того, в каком направлении необходимо осуществить плавное перемещение ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11. Необходимым или необходимыми драйверами силовых частей 18 управляющий сигнал от микроконтроллера 15 преобразуется в электрическое воздействие, которое воспринимается необходимой или необходимыми силовыми сборками 16 для формирования магнитного поля необходимой или необходимых фазных обмоток 8 таким образом, чтобы осуществить необходимое перемещение ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11. В перемещении ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 участвует только магнитное поле, образуемое необходимой или необходимыми фазными обмотками 8, причем левитации ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 поддерживается за счет постоянной составляющей магнитного поля между постоянными магнитами 4 и постоянным кольцевым магнитом 5, что позволяет повысить быстродействие привода для протеза. При этом микроконтроллером 15 также контролируются токи трех фазных обмоток 8 посредством шунтов 12. Перемещение ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 осуществляется за счет взаимодействия магнитных полей необходимой или необходимых фазных обмоток 8 с магнитными полями постоянных магнитов 4. Постоянные магниты 4 ротора 3 намагничены таким образом, что при взаимодействии магнитных полей необходимой или необходимых фазных обмоток 8 создается магнитная сила, перемещающая ротор 3 с постоянными магнитами 4 из текущего положения в необходимое положение. После того, как от датчиков положения ротора 10 на микроконтроллер 15 поступили сигналы, соответствующие необходимому положению ротора 3 с постоянными магнитами 4, микроконтроллер 15 подает сигнал управления на драйверы силовых частей 18, который преобразуется в электрические воздействия на силовые сборки 16, такие, что магнитное поле фазных обмоток 8 формируется таким образом, что ротор 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 фиксируется в необходимом положении. Ротор 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 стабилизируется в устойчивом положении левитации над постоянным кольцевым магнитом 5 после совершения необходимого перемещения.A multi-axis drive with a digital control system operates as follows. Between the permanent ring magnet 5 and the permanent magnets 4 of the rotor 3 there is a constant component of the magnetic field, due to which the rotor 3 with permanent magnets 4 and the output element 11 is not attracted to the permanent ring magnet 5. The constant component of the magnetic field between the permanent magnets 4 and the permanent ring magnet 5 participates in the formation of a general magnetic field, due to which the rotor 3 with permanent magnets 4 and the output element 11 levitates over the permanent ring magnet 5, and the constant component of the magnetic field between the permanent magnets 4 and the permanent ring magnet 5 is formed regardless of the magnetic field of the phase windings 8. The three phase windings 8 are supplied with constant voltage through the voltage converter 13. The voltage converter 13 is supplied from a common power source 20. The voltage converter 13 converts the voltage received from the common power source 20 into a voltage to supply three phase voltages. coil 8 with the required parameters. As a result, a magnetic field is generated from the three phase windings 8, which interacts with the magnetic field of the permanent magnets 4 of the rotor 3. The magnetic field from the three phase windings 8 is a stabilizing field when the rotor 3 of a multi-axis drive with a digital control system does not move. As a result of the total effect of the magnetic field of the permanent ring magnet 5 and the magnetic field from the three phase windings 8 on the permanent magnets 4 of the rotor 3, the rotor 3 with permanent magnets 4 and the output element 11 levitates over the permanent ring magnet of the stator 5. Shunts 12 together with the microcontroller 15 measure the current three phase windings 8. Power converter 14 converts and supplies power from a common power source 20 for the operation of the microcontroller 15. Power to the rotor position sensors 10 is supplied from the power converter 14. When the rotor 3 with permanent magnets 4 and the output element 11 deviates from the stable levitation position the signal from the rotor position sensors 10 changes, which is amplified by signal amplifiers from the rotor position sensors 17 and fed to the microcontroller 15. In the case of the rotor 3 with permanent magnets 4 and the output element 11 in a stable levitation position, the same signals are received from the three rotor position sensors 10 to the microcontroller 15. If the microcontroller 15 receives different signals from three rotor position sensors 10, then the microcontroller generates a control signal that goes to the driver of the power section 18. The driver of the power section 18 converts the control signal from the microcontroller into an electrical effect that is fed to the power assembly 16. Under electrical influences from the driver of the power section 18, transistors in the power assemblies 16 are triggered, thereby changing the current of one or more phase windings 8. The currents in three phase windings 8 are regularly measured by means of shunts 12, the signal from which is amplified in amplifiers 19 and is fed for processing to the microcontroller 15. Thus, the rotor 3 with permanent magnets 4 and the output element 11 above the permanent ring magnet 5 necessary for stable levitation are formed. In this case, the signals from the position sensors of the rotor 10 become the same, which is recorded by the microcontroller 15. Measurement of currents t rex phase windings 8 is also responsible for the energy efficiency of a multi-axis drive with a digital rotor positioning system for prostheses that provide movement over several degrees of freedom, since the microcontroller 15 does not allow currents to flow through three phase windings 8, which are more than necessary to ensure the levitation of the rotor 3 with permanent magnets 4 and an output element 11 of currents of three phase windings 8. After the rotor 3 with permanent magnets 4 and the output element 11 has taken a stable levitation position above the permanent ring magnet 5, the digital control system 2 is responsible for the necessary smooth movements of the rotor 3 s permanent magnets 4 and an output element 11. The deviation of the rotor 3 with permanent magnets 4 and the output element 11 from the current position to the required one is carried out as follows. From the rotor position sensors 10, information about the current position of the rotor 3 with permanent magnets 4 and the output element 11 is supplied to the microcontroller 15. Information about the current position of the rotor 3 with permanent magnets 4 and the output element 11 is compared with the required position of the rotor 3 with permanent magnets 4 and the output element 11. If the required position of the rotor 3 with permanent magnets 4 and the output element 11 differs from the current position of the rotor 3 with permanent magnets 4 and the output element 11, then the microcontroller 15 generates a control signal that goes to the necessary or required drivers of the power units 18. Selection the necessary or necessary drivers of the power parts 18 is carried out by means of the microcontroller 15, depending on the direction in which it is necessary to smoothly move the rotor 3 with permanent magnets 4 and the output element 11. The necessary or necessary drivers of the power parts 18 control signal from the microcontroller Ller 15 is converted into an electrical effect, which is perceived by the necessary or necessary power assemblies 16 to form a magnetic field of the necessary or necessary phase windings 8 in such a way as to carry out the necessary movement of the rotor 3 with permanent magnets 4 and the output element 11. In the movement of the rotor 3 with permanent magnets 4 and the output element 11, only the magnetic field is involved, formed by the necessary or necessary phase windings 8, and the levitation of the rotor 3 with permanent magnets 4 and the output element 11 is maintained due to the constant component of the magnetic field between the permanent magnets 4 and the permanent ring magnet 5, which makes it possible to increase the speed of the drive for the prosthesis. In this case, the microcontroller 15 also controls the currents of the three phase windings 8 by means of shunts 12. The movement of the rotor 3 with permanent magnets 4 and the output element 11 is carried out due to the interaction of magnetic fields of the necessary or necessary phase windings 8 with the magnetic fields of permanent magnets 4. Permanent magnets 4 of the rotor 3 magnetized in such a way that when the magnetic fields of the necessary or necessary phase windings 8 interact, a magnetic force is created that moves the rotor 3 with permanent magnets 4 from the current position to the required position. After the signals corresponding to the required position of the rotor 3 with permanent magnets 4 have been received from the rotor position sensors 10 to the microcontroller 15, the microcontroller 15 sends a control signal to the drivers of the power parts 18, which is converted into electrical influences on the power assemblies 16, such that the magnetic the field of the phase windings 8 is formed in such a way that the rotor 3 with permanent magnets 4 and the output element 11 is fixed in the required position. The rotor 3 with permanent magnets 4 and the output element 11 is stabilized in a stable levitation position over the permanent ring magnet 5 after the required movement has been made.

Заявляемая полезная модель позволяет повысить быстродействие привода для протезов. Преимуществами предлагаемой полезной модели является то, что заявляемая полезная модель позволяет снизить массу и габариты протезов, обеспечивающих перемещение по нескольким степеням свободы и расширить функциональные возможности электромеханических приводов для протезов за счет применения постоянных магнитов на роторе, постоянного кольцевого магнита и цифровой системы управления.The claimed utility model makes it possible to increase the speed of the drive for prostheses. The advantages of the proposed utility model is that the claimed utility model allows one to reduce the weight and dimensions of prostheses providing movement over several degrees of freedom and to expand the functionality of electromechanical drives for prostheses through the use of permanent magnets on the rotor, a permanent ring magnet and a digital control system.

Claims

Electromechanical drive of prostheses, containing an electric motor and an output element, characterized in that the output element is made in the form of an attachment for a mechanical element with the possibility of replenishing the function of a person lost when a part of the body is damaged, contains a rotor with permanent magnets, a permanent ring magnet connected to the frames of electromagnets by means of permanent ring magnet mounts made of non-magnetically conductive material, three phase windings attached to the electromagnet frames, a non-conductive frame attached to the electromagnet frames, rotor position sensors attached to the permanent ring magnet mounts, digital control and general a power supply electrically connected to each other and to an electric motor, a housing made of a biocompatible non-electrically conductive material, and an attachment to the prosthetic part of the body, made of a biocompatible non-electrically conductive material connected to the body.