RU2110308C1

RU2110308C1 - Swivel joint

Info

Publication number: RU2110308C1
Application number: RU95103848A
Authority: RU
Inventors: Евгений Александрович Осадчий
Original assignee: Акционерное общество закрытого типа "САНА"
Priority date: 1995-03-01
Filing date: 1995-03-16
Publication date: 1998-05-10
Also published as: UA26010C2; RU95103848A

Abstract

FIELD: medical engineering; traumatology; orthopedics. SUBSTANCE: swivel joint has frame in the form of upper and lower levers with attachment elements coupled by hinge joint, consisting of overrunning clutch with unidirectional rotation, and mechanism locking the overrunning clutch yoke. Outer surface of yoke is provided with teeth, and mechanism locking the overrunning clutch yoke has lever hinge-joined with lower lever with platform at one end and catch at the other, spring, gear with teeth of evolvent profile of rotation and tract with recesses of the same profile positioned along lever, with gear capable of longitudinal movement along the above-indicated tract. Clutch locking mechanism also includes lever hinge-joined with gear axle with one end, the other end carrying supporting platform. Gear axle is coupled to lower lever by spring. Device ensures forced unlocking of hinge-joint during backward movement of extremity, and length of lower lever varies dynamically at variation of muscular effort of extremity bend. EFFECT: extended functional capabilities. 2 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к травматологии и ортопедии. The invention relates to medical equipment, namely to traumatology and orthopedics.

Известны муфты (механизмы) свободного хода, содержащие обойму и ступицу, между которыми расположены цилиндрические ролики, на которые воздействуют пружины. При перемещении обоймы относительно ступицы в сторону действия пружин цилиндрические ролики заклиниваются между обоймой и ступицей, чем обеспечивается передача вращательного момента между этими деталями. При относительном вращении в противоположном направлении обоймы относительно ступицы происходит расклинивание роликов и передача момента прекращается [1] . Known clutches (mechanisms) freewheels containing a cage and a hub, between which are located cylindrical rollers, which are affected by the springs. When the cage is moved relative to the hub towards the action of the springs, the cylindrical rollers are jammed between the cage and the hub, which ensures the transmission of torque between these parts. With relative rotation in the opposite direction of the cage relative to the hub, the wedging of the rollers occurs and the transmission of torque stops [1].

Совпадающими с предлагаемым устройством признаками являются муфта свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения. Signs that match the proposed device are a freewheel with the possibility of one-way rotational movement.

Данные механизмы не обеспечивают свободное угловое вращение обоймы относительно ступицы при отсутствии нагрузки на них, чем сужается область их применения. These mechanisms do not provide free angular rotation of the cage relative to the hub in the absence of load on them, which narrows the scope of their application.

Известно также устройство для шагового перемещения, содержащее каркас с элементами крепления к туловищу, шарнирно связанные с каркасом две пары рычагов, каждая из которых состоит из соединенных между собой посредством шарнирных узлов тазобедренного и голеностопного рычагов с элементами крепления к ногам, и шарнирно связанные со свободными концами голеностопных рычагов опорные платформы для обуви. Каждый из шарнирных узлов, соединяющих рычаги, снабжен механизмом фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением в виде сегмента с наклонными зубьями и взаимодействующей с ними собачкой и средством управления собачкой [2]. A device for step movement is also known, comprising a frame with fastening elements to the body, two pairs of levers pivotally connected to the frame, each of which consists of hip and ankle levers connected to each other by pivot joints with fastening elements to the legs, and pivotally connected to the free ends ankle levers support platforms for shoes. Each of the hinge assemblies connecting the levers is equipped with a mechanism for fixing the hinge assembly with ratchet gear in the form of a segment with inclined teeth and a dog interacting with them and a dog control tool [2].

Совпадающими с предлагаемым устройством признаками являются каркас с элементами крепления, шарнирно связанные с каркасом пары рычагов, каждая из которых состоит из соединенных между собой посредством шарнирных узлов верхнего и нижнего рычагов с элементами крепления к конечности и шарнирно связанные со свободными концами нижних рычагов опорные платформы. Шарнирные узлы, соединяющие рычаги, снабжены механизмом фиксации шарнирного узла со средствами управления им. Signs that coincide with the proposed device are a frame with fastening elements, a pair of levers pivotally connected to the frame, each of which consists of upper and lower levers connected to each other by pivot nodes with fastening elements to the extremities and support platforms pivotally connected to the free ends of the lower levers. The hinge assemblies connecting the levers are equipped with a mechanism for fixing the hinge assembly with controls.

Устройство обеспечивает поддержание и передвижение пользователя, но не обладает достаточным удобством применения, так как механизм фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением излишне усложнен и имеет недостаточное количество зон фиксации. Кроме того, он не обеспечивает принудительное разблокирование шарнирного узла без снятия с него нагрузки. The device provides support and movement of the user, but does not have sufficient ease of use, since the locking mechanism of the hinge assembly with ratchet gear is unnecessarily complicated and has an insufficient number of fixation zones. In addition, it does not provide forced unlocking of the hinge assembly without removing the load from it.

Наиболее близким аналогом является искусственный коленный сустав, содержащий каркас в виде верхнего и нижнего рычагов, с элементами крепления к конечности, связанные шарнирным узлом, состоящим из муфты свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения, расположенной на поворотном пальце, шарнирный узел включает в себя механизм фиксации кольцевого зажима, расположенный вокруг обоймы муфты свободного хода, состоящий из двухэлементной разгибающейся детали, в состав которой входят поворотный корпус, соединенный с верхним рычагом и одним концом кольцевого зажима, а также рычаг, поворотный в направлении указанного конца зажима и соединенный с другим концом зажима, указанный рычаг является регулированным (по углу) относительно корпуса, поворотный палец, соединяющий двухэлементную разгибающуюся деталь с верхним рычагом, является эксцентричным и подвижным [3]. The closest analogue is an artificial knee joint, containing a frame in the form of upper and lower levers, with fastening elements to the limbs, connected by a hinge assembly, consisting of a freewheel with the possibility of one-way rotational movement located on the pivot pin, the hinge assembly includes a locking mechanism ring clamp, located around the cage of the freewheel, consisting of a two-element extensible part, which includes a rotary housing connected to by a lever and one end of the ring clamp, as well as a lever pivoting in the direction of the specified end of the clamp and connected to the other end of the clamp, the specified lever is adjustable (in angle) relative to the housing, the pivot pin connecting the two-element extensible part with the upper lever is eccentric and movable [3].

Общими с предлагаемым техническим решением признаками являются каркас в виде верхнего и нижнего рычагов, с элементами крепления, связанных шарнирным узлом, состоящим из муфты свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения, механизмами фиксации обоймы муфты свободного хода. Common with the proposed technical solution features are the frame in the form of upper and lower levers, with fasteners connected by a hinge assembly consisting of a freewheel with the possibility of one-way rotational movement, locking mechanisms of the clip of the freewheel.

Устройство применяется в протезировании, но механизм фиксации кольцевого зажима не обеспечивает регулирование мышечного усилия за счет элементов конструкции, что сужает область применения. The device is used in prosthetics, but the fixation mechanism of the ring clamp does not provide regulation of muscle effort due to structural elements, which narrows the scope.

В основу изобретения поставлена задача создать такое устройство, в котором новое конструктивное выполнение элементов механизма фиксации обоймы муфты свободного хода шарнирного узла, а также введение дополнительных элементов обеспечивает возможность принудительного разблокирования шарнирного узла при обратном движении конечности и динамическое изменение длины нижнего рычага при изменении мышечного усилия изгиба конечности, что расширяет функциональные возможности устройства и область его применения, а именно позволяет применять устройства в кистевых экзоскелетонах для удержания предметов при незначительном мышечном усилии. The basis of the invention is the task to create such a device in which a new constructive implementation of the elements of the mechanism for fixing the holder of the free-wheeling clutch of the hinge assembly, as well as the introduction of additional elements, makes it possible to forcibly unlock the hinge assembly in the reverse movement of the limb and dynamically change the length of the lower arm with a change in muscle bending limbs, which extends the functionality of the device and its scope, namely, allows you to use devices in wrist exoskeleton for holding items with little muscle effort.

Поставленная задача решается устройством, содержащим каркас в виде верхнего и нижнего рычагов с элементами крепления, связанных шарнирным узлом, состоящим из муфты свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения, механизма фиксации обоймы муфты свободного хода, при этом наружная поверхность обоймы выполнена с зубьями, а механизм фиксации обоймы муфты свободного хода содержит рычаг, шарнирно соединенный с нижним рычагом, с платформой на одном конце и собачкой на другом, пружину, зубчатое колесо с зубьями эвольвентного профиля вращения и дорожкой с углублениями такого же профиля, распложенной вдоль рычага с возможностью продольного перемещения этого колеса вдоль этой дорожки, рычаг, шарнирно связанный с осью зубчатого колеса одним концом, другой конец которого содержит опорную платформу, а ось зубчатого колеса соединена пружиной с нижним рычагом. The problem is solved by a device containing a frame in the form of upper and lower levers with fastening elements connected by a hinge assembly, consisting of a freewheel with the possibility of one-way rotational movement, a mechanism for fixing the ferrule of the freewheel, the outer surface of the ferrule made with teeth, and the mechanism fixing the cage of the freewheel contains a lever pivotally connected to the lower lever, with a platform at one end and a dog on the other, a spring, a gear wheel with involute teeth rotation profile and a track with recesses of the same profile, located along the lever with the possibility of longitudinal movement of this wheel along this track, a lever pivotally connected to the axis of the gear wheel at one end, the other end of which contains a support platform, and the gear axis is connected by a spring to the lower leverage.

Отличительными признаками предлагаемого устройства является то, что наружная поверхность обоймы выполнена с зубьями и дополнительно вводятся рычаг, шарнирно соединенный с нижним рычагом, с платформой на одном конце и собачкой на другом, пружины, зубчатое колесо с зубьями эвольвентного профиля вращения и дорожкой, с углублениями такого же профиля, расположенной вдоль рычага с возможностью продольного перемещения этого колеса вдоль такой дорожки, рычаг, шарнирно связанный с осью зубчатого колеса одним концом, другой конец которого содержит опорную платформу, а ось зубчатого колеса соединена пружиной с нижним рычагом. Distinctive features of the proposed device is that the outer surface of the cage is made with teeth and an additional lever is introduced, pivotally connected to the lower lever, with a platform at one end and a dog at the other, springs, a gear wheel with teeth of an involute rotation profile and a track, with recesses of such the same profile located along the lever with the possibility of longitudinal movement of this wheel along such a track, the lever pivotally connected to the axis of the gear wheel at one end, the other end of which contains the supporting platform lives, and the gear axle is connected by a spring to the lower arm.

Совокупность вышеперечисленных признаков предлагаемого устройства позволяет получить результат, заключающийся в том, что обеспечивается возможность принудительного разблокирования шарнирного узла при обратном движении конечности и динамически изменяется длина нижнего рычага при изменении мышечного усилия изгиба конечности, что расширяет функциональные возможности устройства и область его применения, а именно позволяет применять устройство в кистевых экзоскелетонах для удержания предметов при незначительном мышечном усилии. The combination of the above characteristics of the proposed device allows to obtain the result, namely, that it is possible to unlock the hinge assembly during the reverse movement of the limb and dynamically changes the length of the lower arm with a change in the muscular effort of bending the limb, which expands the functionality of the device and its scope, namely, it allows use the device in wrist exoskeletons to hold items with little muscle effort.

На фиг. 1 изображена кинематическая схема устройства в двухзвенном соединении его рычагов; на фиг. 2 - то же, в многозвенном соединении рычагов. In FIG. 1 shows a kinematic diagram of a device in a two-link connection of its levers; in FIG. 2 - the same, in a multi-link connection of levers.

Устройство (фиг. 1, 2) содержит каркас в виде верхнего 1 и нижнего 2 рычагов, с элементами крепления, связанных шарнирным узлом, состоящим из муфты свободного хода, включающей обойму 3 с зубьями на наружной поверхности и ступицу 4, между которыми расположены цилиндрические ролики 5, механизм фиксации обоймы муфты свободного хода, содержащий рычаг 6, соединенный шарниром 7 с нижним рычагом, один конец рычага 6 выполнен в виде платформы 8, а другой шарнирно соединен с собачкой 9, имеющей форму зуба, пружину 10, зубчатое колесо 11 с зубьями эвольвентного профиля вращения и дорожкой 12 с углублениями такого же профиля, расположенной вдоль нижнего рычага с возможностью поперечного перемещения этого колеса вдоль этой дорожки, рычаг 13, шарнирно связанный с осью зубчатого колеса одним концом, другой конец которого содержит опорную платформу 14, пружину 15. The device (Fig. 1, 2) contains a frame in the form of upper 1 and lower 2 levers, with fasteners connected by a hinge assembly consisting of a freewheel, including a clip 3 with teeth on the outer surface and a hub 4, between which are located cylindrical rollers 5, the locking mechanism of the cage of the freewheel, comprising a lever 6 connected by a hinge 7 to the lower lever, one end of the lever 6 is made in the form of a platform 8, and the other is pivotally connected to a dog 9 having the shape of a tooth, spring 10, gear 11 with teeth involute rofilya rotation track 12 and with grooves of the same profile extending along the lower arm, with lateral movement of the wheel along the track, the lever 13 is pivotally connected to the gear axis at one end, the other end of which comprises a support platform 14, a spring 15.

Работа устройства следующая. Конечность пользователя, например фаланга пальца, закрепляется в экзоскелетоне с помощью элементов крепления. В данном случае элементами крепления являются внутренние поверхности конструкции экзоскелетона. Для предотвращения травматизма и с целью создания комфортности конечность предварительно может одеваться в защитный тканевый футляр (перчатку). При этом опорная часть конечности располагается над опорной платформой 14, а между неопорной частью конечности и платформой 8 имеется небольшой зазор. Верхний 1 и нижний 2 рычаги выполняются по форме конечности и могут быть цилиндрическими (для фаланг пальцев). При этом, если шарнирный узел располагается на суставе конечной (ногтевой) части фаланги, то нижний рычаг 2 выполняется цилиндрическим с основанием в виде защитного колпачка, если же он расположен на уровне любого другого сустава, то он выполняется цилиндрическим (в виде трубы) и является верхним рычагом следующего шарнирного узла. Конечность вставляется вовнутрь рычагов 1, 2. The operation of the device is as follows. The limb of the user, for example the phalanx of the finger, is fixed in the exoskeleton using the fastening elements. In this case, the fastening elements are the internal surfaces of the exoskeleton structure. To prevent injuries and to create comfort, the limb can be pre-worn in a protective fabric case (glove). In this case, the supporting part of the limb is located above the supporting platform 14, and there is a small gap between the non-supporting part of the limb and platform 8. The upper 1 and lower 2 levers are made in the shape of a limb and can be cylindrical (for phalanx of the fingers). Moreover, if the hinge assembly is located on the joint of the final (nail) part of the phalanx, then the lower lever 2 is cylindrical with the base in the form of a protective cap, if it is located at the level of any other joint, then it is cylindrical (in the form of a pipe) and is the upper arm of the next hinge assembly. The limb is inserted inside the levers 1, 2.

Таким образом, в статике экзоскелетон с использованием приведенных шарнирно сочленений первоначально выполняет только защитную функцию для конечности. Thus, in statics, exoskeleton using articulated joints initially performs only a protective function for the limb.

Работа устройства в динамике отличается тем, что при сгибании конечности мышечное усилие передается опорной платформе 14, которая через рычаг 13 перемещает зубчатое колесо 11 вдоль дорожки 12. При этом, чем больше усилие, тем дальше перемещается колесо и соответственно платформа 14 удаляется от оси ступицы 4, удлиняя тем самым рычаг 2. В результате создается эффект увеличения длины рычага 2 за счет смещения вдоль него точки приложения силы. Если сгибательному движению конечности не оказывается внешнего сопротивления, например, при сжимании фалангов пальцев в кулак, то зубчатое колесо 11 может и не перемещаться вдоль дорожки 12, т.к. усилие мышц не превышает усилия сжатия пружины 15. В данном случае происходит наиболее быстрое сгибание конечности в шарнирном узле. Если же такое сопротивление оказывается, например, при удержании какого-либо предмета, то требуемое усилие на удержания этого предмета может быть значительным. В таком случае появляется возможность не только экономить мышечное усилие (за счет смещения вдоль рычага 2 точки приложения силы), но и аккумулировать его. Последнее возможно за счет того, что при прекращении мышечного усилия, направленного в сторону взаимного сгибания фаланг конечности и при наличии сил, способствующих разгибанию рычагов 1, 2, их обратное (разгибательное) движение блокируется в связи с тем, что механизм фиксации шарнирного узла обладает свойствами муфт свободного хода. Это блокирование вращательного движения происходит потому, что под действием усилия пружины 10 собачка находится в зацеплении с зубьями обоймы 3, а значит, обойма совершает незначительное вращательное движение в противоположном изгибу направлении. В результате происходит незначительное угловое перемещение обоймы 3 относительно ступицы 4 и ролики 5 под действием сил трения и пружин (либо формы выступов на ступице) также перемещаются и заклинивают ступицу 4 в обойме 3. Таким образом, создается жесткая опорная конструкция из верхнего 1 и нижнего 2 рычагов, которая даже при расслабленных мышцах конечности способна удерживать захваченные предметы. Для разблокирования подвижности шарнирного узла расправляется конечность в экзоскелетоне и ею производятся перемещение в обратном направлении платформы 8. При этом совершает угловое перемещение рычаг 6 относительно шарнира 7 и собачка 9, перемещаясь в пазе, выходит из зацепления с зубьями обоймы 3. В результате односторонняя неподвижность обоймы 3 разблокируется и шарнирный узел свободно расправляется. Заклинивание механизма фиксации шарнирного узла не происходит, так как ступица 4, жестко скрепленная с верхним рычагом 1, поворачивается относительно обоймы 3 и ролики 5 перемещаются в сторону их расклинивания. The operation of the device in dynamics is characterized in that when the limb is bent, the muscle force is transmitted to the supporting platform 14, which through the lever 13 moves the gear 11 along the track 12. In this case, the greater the force, the further the wheel moves and, accordingly, the platform 14 moves away from the axis of the hub 4 , thereby lengthening the lever 2. As a result, the effect of increasing the length of the lever 2 due to the displacement along it of the point of application of force is created. If there is no external resistance to the flexion movement of the limb, for example, when squeezing the phalanges of the fingers into a fist, then the gear wheel 11 may not move along the track 12, because the muscle force does not exceed the compression force of the spring 15. In this case, the most rapid limb flexion occurs in the hinge assembly. If such resistance appears, for example, when holding an object, then the required effort to hold this object can be significant. In this case, it becomes possible not only to save muscle effort (due to displacement along the lever 2 of the point of application of force), but also to accumulate it. The latter is possible due to the fact that upon the cessation of muscle effort directed towards mutual bending of the phalanges of the limb and in the presence of forces that contribute to the extension of the levers 1, 2, their reverse (extensor) movement is blocked due to the fact that the mechanism of fixation of the hinge assembly has the properties freewheel clutches. This blocking of the rotational movement occurs because under the action of the force of the spring 10 the dog is engaged with the teeth of the yoke 3, which means that the yoke makes a slight rotational movement in the opposite direction to the bend. The result is a slight angular movement of the cage 3 relative to the hub 4 and the rollers 5 under the action of friction forces and springs (or the shape of the protrusions on the hub) also move and jam the hub 4 in the cage 3. Thus, a rigid support structure is created from the upper 1 and lower 2 leverage, which even with relaxed limb muscles is able to hold captured objects. To unlock the mobility of the hinge assembly, the limb in the exoskeleton is straightened and it is moved in the opposite direction of the platform 8. At the same time, the lever 6 is angularly moved relative to the hinge 7 and the dog 9, moving in the groove, disengages from the teeth of the holder 3. As a result, the one-sided immobility of the holder 3 unlocks and the hinge assembly is straightened freely. Jamming of the mechanism for fixing the hinge assembly does not occur, since the hub 4, rigidly fastened to the upper lever 1, rotates relative to the yoke 3 and the rollers 5 move in the direction of their wedging.

От случайного разблокирования односторонней фиксации подвижности шарнирного узла со стороны внешней силы защищает корпус рычагов 1, 2, закрывающий платформы 8, 14. From accidental unlocking of one-way fixation of the mobility of the hinge assembly from the side of an external force, the housing of levers 1, 2 protecting the platforms 8, 14 protects.

Для обеспечения жесткого зацепления обоймы с корпусом рычага 2 используется зубчатое зацепление. При этом зубья расположены на наружной цилиндрической поверхности обоймы 3, а собачка 9 также выполнена в виде зуба аналогичной формы. Такое жесткое зубчатое зацепление необходимо для экзоскелетонов, предназначенных для мгновенного освобождения удерживаемых предметов. При необходимости постепенного освобождения удерживаемого предмета применяют фрикционное зацепление обоймы 3 с собачкой 9. To ensure rigid engagement of the cage with the housing of the lever 2 is used gearing. In this case, the teeth are located on the outer cylindrical surface of the cage 3, and the dog 9 is also made in the form of a tooth of a similar shape. Such rigid gearing is necessary for exoskeletons designed to instantly release held objects. If necessary, the gradual release of the held item apply friction engagement of the clip 3 with the dog 9.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает возможность принудительного разблокирования шарнирного узла при обратном движении конечности и динамическое изменение длины нижнего рычага при изменении мышечного усилия изгиба конечности, что расширяет функциональные возможности устройства и область его применения, а именно позволяет применять устройство в кистевых экзоскелетонах для удержания предметов при незначительном мышечном усилии. Thus, the proposed device provides the ability to forcibly unlock the hinge assembly in the reverse movement of the limb and dynamically change the length of the lower arm with a change in the muscular effort of bending the limb, which expands the functionality of the device and its scope, namely, it allows the device to be used in wrist exoskeletons to hold objects when minor muscle effort.

Claims

An articulated joint containing a frame in the form of upper and lower levers with fastening elements connected by a hinge assembly consisting of a freewheel with the possibility of one-way rotational movement, a mechanism for fixing the yoke of the freewheel, characterized in that the outer surface of the yoke is made with teeth, and the mechanism fixing the cage of the freewheel contains a lever pivotally connected to the lower lever, with a platform at one end and a dog on the other, a spring, a gear wheel with involute teeth For rotation and a track with recesses of the same profile located along a lever with the possibility of longitudinal movement of this wheel along this track, a lever pivotally connected to the axis of the gear wheel by one end, the other end of which contains a support platform, and the gear axis is connected by a spring to the lower lever .