RU2076670C1

RU2076670C1 - Hinge knee joint of lower extremity prosthesis

Info

Publication number: RU2076670C1
Application number: RU9494021377A
Authority: RU
Inventors: Л.И. Фролов; Е.Г. Бобров; В.А. Волошин; А.В. Куракин; В.Н. Павлов; Б.С. Фарбер; В.В. Колодивкер; Л.Я. Шапиро
Original assignee: Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева
Priority date: 1994-06-07
Filing date: 1994-06-07
Publication date: 1997-04-10
Also published as: RU94021377A

Abstract

FIELD: medical equipment, in particular, prosthetics. SUBSTANCE: hinge knee joint has an overrunning clutch and a control mechanism; it is a double-acting clutch, and a flexible twisting member is provided between the clutch sprocket and one of the links of the hinge joint; one end of the twisting member is fixed to the sprocket, and the other - of the same link of the hinge joint. The other link of the hinge joint is fixed to the overrunning clutch rim or made integral with it. The operating condition is controlled from the control mechanism by mechanical coupling between the control mechanism and clutch dog. EFFECT: provision of anthropomorphic energy-saving walking on the prosthesis on horizontal and inclined surfaces due to spring- cushioned bending in the knee joint in the support phase, damping of the front jerk and prevention of loss of shake stability at an incompletely unbent prosthesis, provision of walking on stairs. 2 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике, а именно, к протезостроению. The invention relates to medical equipment, namely to prosthetics.

Известен протез бедра, содержащий коленный узел, выполненный в виде шарнира, кулачка с упором и толкателем, расположенных на оси шарнира, фиксатора, установленного в дистальной части трубки бедра, с возможностью частичного вращения вокруг своей оси, контактирующего с кулачком и упором, а также пружинного амортизатора, размещенного в проксимальной части трубки голени и кинематически связанного с толкателем. (SU, авторское свидетельство N 1729508, A 61 F 2/60, 1978). Known hip prosthesis containing a knee assembly made in the form of a hinge, a cam with a stop and a pusher located on the axis of the hinge, a latch mounted in the distal part of the thigh tube, with the possibility of partial rotation around its axis in contact with the cam and the stop, as well as a spring a shock absorber located in the proximal part of the shin tube and kinematically connected with the pusher. (SU, copyright certificate N 1729508, A 61 F 2/60, 1978).

Протез обеспечивает зарессоренное подгибание в фазе опоры на протез, свойственное ходьбе на здоровой конечности. Однако процесс фиксации - расфиксации в коленном суставе, обеспечивающий подкосоустойчивость протеза, возможен только при положении полностью распрямленного в коленном шарнире протеза, что соответствует ходьбе по горизонтальной поверхности. При неполностью выпрямленной в коленном шарнире ноге возможна потеря подкосоустойчивости за счет самопроизвольного сгибания в коленном шарнире. The prosthesis provides a springy bending in the phase of support on the prosthesis, which is characteristic of walking on a healthy limb. However, the process of fixation –fixing in the knee joint, which ensures the brace resistance of the prosthesis, is possible only when the prosthesis is fully extended in the knee joint, which corresponds to walking on a horizontal surface. If the leg is not fully straightened in the knee hinge, a loss of brace is possible due to spontaneous bending in the knee hinge.

Наиболее близким аналогом является коленный сустав для протеза, выполненный в виде роликовой муфты свободного хода, звездочка которой связана непосредственно с голенью протеза, а обойма через фрикционный узел сопряжена с бедренной частью сустава, при этом бедренная часть сустава подвижно закреплена на рычаге, размещенном соосно шарниру и имеющим тягу внешнего управления силой трения между обоймой и бедренной частью (ДЕ, патент N 3923057, A 61 F 2/64, 1985). The closest analogue is the knee joint for the prosthesis, made in the form of a freewheel roller clutch, the sprocket of which is connected directly to the lower leg of the prosthesis, and the ferrule through the friction unit is mated to the femoral part of the joint, while the femoral part of the joint is movably fixed to a lever placed coaxially to the hinge and having a thrust of external control of the friction force between the cage and the femoral part (DE, patent N 3923057, A 61 F 2/64, 1985).

Муфта обеспечивает свободное вращение звеньев шарнира в направлении разгибания коленного сустава и препятствует взаимному вращению звеньев в направлении сгибания. При этом под воздействием веса инвалида обеспечивается подкосоустойчивость при неполностью выпрямленном в коленном суставе протезе, подъем и спуск по лестнице. The coupling provides free rotation of the hinge links in the direction of extension of the knee joint and prevents mutual rotation of the links in the direction of flexion. At the same time, under the influence of the weight of the disabled person, under-bracing is ensured when the prosthesis is not fully straightened in the knee joint, and ascent and descent up the stairs.

В коленном суставе отсутствует предварительное подгибание при опоре на конечность, свойственное естественной ходьбе человека, и демпфирование переднего толчка в фазе опоры на протез. Теряется антропоморфность ходьбы вследствие асимметрии кинематики движений на сохранившейся и протезированной конечности инвалида при односторонней ампутации, возрастают энерготраты инвалида при ходьбе. In the knee joint there is no preliminary bending when resting on a limb, which is inherent in a person’s natural walking, and damping of the front push in the phase of support on the prosthesis. The anthropomorphism of walking is lost due to the asymmetry of the kinematics of movements on the preserved and prosthetic limbs of the disabled person with unilateral amputation, and the energy consumption of the disabled person is increased when walking.

Техническим результатом данного изобретения является обеспечение антропоморфной, энергосберегающей ходьбы на протезе по горизонтальной и наклонным поверхностям. The technical result of this invention is the provision of anthropomorphic, energy-saving walking on the prosthesis on horizontal and inclined surfaces.

Технический результат достигается тем, что в шарнирном суставе протеза нижних конечностей, содержащем муфту свободного хода, расположенную соосно шарниру, и узел управления, муфта выполнена двустороннего действия с переключателем режима работы муфты в виде поводка, связанного с узлом управления, при этом звездочка муфты связана с одним звеном шарнира посредством упругого элемента скручивания, один конец упругого элемента скручивания закреплен на звездочке муфты, а противоположный на этом звене шарнира, а обойма муфты выполнена во втором звене шарнира. The technical result is achieved by the fact that in the hinge joint of the lower limb prosthesis containing a freewheel located coaxially to the hinge, and a control unit, the clutch is double-acting with a clutch operation mode switch in the form of a leash connected to the control unit, while the clutch sprocket is connected with one link of the hinge by means of an elastic twisting element, one end of the elastic twisting element is fixed on the sprocket of the coupling, and the opposite on this link of the hinge, and the sleeve of the coupling is made in the second th link of the hinge.

Антропоморфная энергосберегающая ходьба при движении по горизонтальной и наклонным поверхностям обеспечивается за счет совместного воздействия зарессоренного подгибания в коленном суставе в фазе опоры, демпфирования переднего толчка и предотвращения потери подкосоустойчивости при неполностью разогнутом в коленном суставе протезе, в том числе, при несанкционированной опоре на протезе, обеспечение антропоморфности движения по лестнице. Anthropomorphic energy-saving walking when moving along horizontal and inclined surfaces is provided due to the combined effect of inflated knee bending in the knee joint phase, damping of the front push and prevention of loss of brace when the prosthesis is incompletely bent in the knee joint, including when it is unauthorized to support the prosthesis, ensuring anthropomorphic movement of stairs.

Реализацию коленного сустава рассмотрим на примере исполнения с использованием роликовой муфты свободного хода одинарной двустороннего действия. We consider the implementation of the knee joint using an example of the use of a single-acting double-acting roller clutch.

На фиг. 1 изображен вид на коленный сустав в сагиттальной плоскости; на фиг.2 вид на коленный сустав во фронтальной плоскости. In FIG. 1 shows a view of the knee joint in the sagittal plane; figure 2 view of the knee joint in the frontal plane.

Шарнир коленного сустава образован входным звеном 1 и выходным звеном 2, с общей осью 1-1. The hinge of the knee joint is formed by the input link 1 and the output link 2, with a common axis 1-1.

Звездочка 3, ролики 4, поверхность обода Д выходного звена 2 и поводок 5 образуют роликовую одинарную муфту свободного хода двустороннего действия. На входном звене 1 торцевой частью неподвижно закреплен упругий элемент скручивания 6 соосно шарниру. Противоположная торцевая часть упругого элемента 6 неподвижно закреплена на звездочке 3. Поводок 5 посредством оси 7, рычага 8, подпружиненной тяги 9 подвижно связан с узлом управления 10. Входное звено шарнира 1 и выходное звено 2 имеют опорные плоскости 11, которые сопряжены в положении шарнира, соответствующем впрямленной ноге. Asterisk 3, rollers 4, the surface of the rim D of the output link 2 and the leash 5 form a single-acting double-acting roller clutch. At the input link 1, the end portion is fixedly fixed elastic twisting element 6 coaxially to the hinge. The opposite end part of the elastic element 6 is fixedly mounted on the sprocket 3. The leash 5 through the axis 7, the lever 8, the spring rod 9 is movably connected to the control unit 10. The input link of the hinge 1 and the output link 2 have supporting planes 11 that are conjugated in the position of the hinge, the corresponding straightened leg.

Коленный сустав работает следующим образом. The knee joint works as follows.

В начале опоры на протез, содержащий коленный сустав, узел управления 10 находится в пассивном состоянии. При этом поводок 5 с роликами 4 под воздействием рычага 8 и пружины 12 находится относительно звездочки 3 в положении, обеспечивающем свободное вращение входного звена 1 на подшипниках 13 относительно выходного звена 2 в направлении разгибания коленного сустава до упора в плоскости 11. В противоположном направлении крутящий момент, возникший от воздействия на шарнир веса и мышечного аппарата инвалида в начале опоры, передается на правый торец упругого элемента 6. Левый торец упругого элемента вследствие запирающего эффекта муфты свободного хода неподвижно закреплен через звездочку 3, ролики 4 и поверхность обода Д относительно выходного звена 2 и опоры протеза. Таким образом, крутящий момент передается на упругий элемент 6 и вызывает относительное упругое вращение на ограниченный угол звена 1 относительно звена 2 за счет скручивания упругого элемента 6. Одновременно происходит демпфирование переднего толчка. At the beginning of support on the prosthesis containing the knee joint, the control unit 10 is in a passive state. In this case, the leash 5 with the rollers 4 under the influence of the lever 8 and the spring 12 is located relative to the sprocket 3 in a position that provides free rotation of the input link 1 on the bearings 13 relative to the output link 2 in the direction of extension of the knee joint to the stop in the plane 11. In the opposite direction, the torque , arising from the impact on the hinge of the weight and muscle of the disabled person at the beginning of the support, is transmitted to the right end of the elastic element 6. The left end of the elastic element due to the locking effect of the free x coupling yes sprocket fixedly secured through 3, rollers 4 and the rim surface relative to the output unit D 2 and prosthesis. Thus, the torque is transmitted to the elastic element 6 and causes a relative elastic rotation by a limited angle of the link 1 relative to the link 2 due to the twisting of the elastic element 6. At the same time, the front shock is damped.

При дальнейшем перекате на стопе внешний крутящий момент вследствие миграции центра тяжести инвалида относительно опорной стопы меняет свое направление на обратное и происходит выпрямление в коленном шарнире, которому способствует накопленный в упругом элементе 6 при его скручивании крутящий момент. With a further roll on the foot, the external torque due to the migration of the center of gravity of the disabled person relative to the supporting foot changes its direction to the opposite and there is a straightening in the knee joint, which is facilitated by the torque accumulated in the elastic element 6 when it is twisted.

К моменту выпрямления в коленном шарнире, свойственному естественному перекату на стопе, управляющий узел 10 находится в активном состоянии. При этом тяга 9 под воздействием управляющего узла 10 переводится в крайнее верхнее положение и ролики 4 посредством рычага 8 и оси 7 переводятся относительно звездочки 3 в положение, при котором муфта свободного хода обеспечивает свободное двустороннее вращение звена 1 относительно звена 2. By the time of straightening in the knee joint, characteristic of a natural roll on the foot, the control unit 10 is in the active state. In this case, the thrust 9 under the influence of the control unit 10 is transferred to its highest position and the rollers 4 are transferred relative to the sprocket 3 by the lever 8 and the axis 7 to the position in which the freewheel provides free two-way rotation of link 1 relative to link 2.

Далее за счет динамики движения инвалида на протезе происходит сгибание и дальнейшее разгибание в коленном шарнире свойственное концу опоры и фазе переноса протеза над поверхностью. В период переноса непосредственно предшествующий разгибанию в коленном суставе узел управления вновь находится в пассивном состоянии, обеспечивающем свободное разгибание коленного шарнира и препятствующем его сгибанию. Further, due to the dynamics of the movement of the disabled person on the prosthesis, bending and further extension in the knee joint characteristic of the end of the support and the phase of transfer of the prosthesis over the surface occur. During the transfer period immediately preceding the extension in the knee joint, the control unit is again in a passive state, providing free extension of the knee joint and preventing its bending.

Сочетание упругого элемента с управляемой муфтой свободного хода обеспечивает при движении по горизонтальной и наклонным поверхностям максимальное приближение кинематики и динамики ходьбы на протезе к естественной ходьбе. При этом муфта свободного хода обеспечивает подкосоустойчивость без ограничения углов между звеньями шарнира, что допускает, в том числе, движение по лестнице. Муфта обеспечивает подкосоустойчивость при несанкционированной опоре на протезе, а также при несанкционированном отключении узла управления. The combination of an elastic element with a controlled freewheel ensures maximum movement of the kinematics and dynamics of walking on the prosthesis to natural walking when moving along horizontal and inclined surfaces. At the same time, the freewheel provides strut resistance without limiting the angles between the joints of the hinge, which allows, among other things, movement along the stairs. The coupling provides anti-skid resistance during unauthorized support on the prosthesis, as well as during unauthorized shutdown of the control unit.

Узел управления может быть выполнен в виде электромагнитного устройства, управляемого процессором, от биомеханических сигналов конца культи, либо от системы датчиков, расположенных на переднем и заднем участках опорной поверхности стопы или на опорных поверхностях узлов протеза. Возможны гидравлические и пневматические варианты исполнения. The control unit can be made in the form of an electromagnetic device controlled by the processor, from biomechanical signals from the end of the stump, or from a system of sensors located on the front and rear sections of the supporting surface of the foot or on the supporting surfaces of the prosthesis nodes. Hydraulic and pneumatic options are available.

Claims

The hinge knee joint of the lower limb prosthesis containing a freewheel in the form of a cage and an asterisk, between which are rolling elements, mounted coaxially to the hinge, made in the form of input and output links, a control unit, characterized in that the clutch is double-acting with a mode switch couplings in the form of a leash connected to the control unit, wherein the coupling sprocket is connected to the input link of the hinge by means of an elastic twisting element, one end of which is fixed to the stars chke sleeve, and the opposite on the input link of a hinge, the holder sleeve is mounted on the output link of the hinge.