RU2254832C1

RU2254832C1 - Artificial knee joint having means for controlling braking forces independently under flexion and extension conditions

Info

Publication number: RU2254832C1
Application number: RU2003134157/14A
Authority: RU
Inventors: А.И. Солоненко (RU); А.И. Солоненко
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "МЕТИЗ"
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2005-06-27

Abstract

FIELD: medical engineering.

SUBSTANCE: device has femur part and crural part connected to each other with restricted rotation mechanism having at least one axle and bearings, braking mechanism having overrunning clutch mounted on axle and enveloped with bushing having slit and screw for controlling overrunning clutch pressure on the part of the bushing. The knee joint additionally has an overrunning clutch identical with the above mentioned, bushing with slit, screw for controlling overrunning clutch pressure on the part of the bushing and lubrication unit as well. Both clutches are back-to-back mounted on axle along permissible direction and the bushings have length being less than clutches length. Each screw for controlling overrunning clutch pressure on the part of the bushing is mounted in a notch on its external surface in perpendicular to bushing axis and intersects slit, and the threaded openings for receiving the screws are produced in body of one of knee joint part. Elastic member is arranged between screw head and bushing. The member surrounds the screw and the lubrication unit envelopes the bushings and is engageable with external surfaces of the overrunning clutches.

EFFECT: improved comfort conditions; reduced patient power consumption when walking.

6 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к искусственным коленным суставам, и может быть использовано при протезировании нижних конечностей.The invention relates to medical equipment, namely to artificial knee joints, and can be used when prosthetics of the lower extremities.

Существует проблема улучшения биомеханических характеристик ходьбы на протезе. Она сводится, в частности, к приближению динамики движений голени при сгибании и разгибании искусственного коленного сустава (ИКС) в фазе переноса к норме (то есть к динамике аналогичных движений в здоровой ноге). После заднего толчка пятка протеза поднимается выше, чем у здоровой ноги, что удлиняет время переноса протезированной конечности и усугубляет асимметрию движений. Кроме того, в конце фазы переноса имеет место сильное соударение рекурвационных элементов ИКС, приводящее к тенденции спадания приемной гильзы с культи и к бедродинамическому удару, оказывающему при длительной эксплуатации отрицательное влияние на здоровье инвалида (см., например, Р.Баумгартнер, П.Ботта. Ампутация и протезирование нижних конечностей, пер. с нем., М.: Медицина, 2002).There is a problem of improving the biomechanical characteristics of walking on the prosthesis. It comes down, in particular, to the approximation of the dynamics of the movements of the lower leg during flexion and extension of the artificial knee joint (IKS) in the phase of transfer to normal (i.e., to the dynamics of similar movements in a healthy leg). After the back push, the heel of the prosthesis rises higher than that of a healthy leg, which lengthens the transfer time of the prosthetic limb and aggravates the asymmetry of movements. In addition, at the end of the transfer phase, there is a strong collision of the recurrence elements of the ICS, leading to a tendency for the receiving sleeve to fall from the stump and to a poorly dynamic shock, which, after prolonged use, has a negative effect on the health of the disabled person (see, for example, R. Baumgartner, P. Botta Amputation and prosthetics of the lower extremities, trans. With it., M .: Medicine, 2002).

Один из путей решения проблемы - введение механизма подтормаживания ИКС с обеспечением регулирования силы подтормаживания. Целесообразно учитывать, что величина силы подтормаживания при сгибании может значительно отличаться как в большую, так и в меньшую сторону от силы подтормаживания при разгибании. Разница в силах подтормаживания зависит от темпа и индивидуальных особенностей ходьбы инвалида, а также от технической характеристики самого протеза: жесткости стопы и мыска стопы, наличия тянки и голенеоткидного устройства и других параметров. Наличие в ИКС механизма подтормаживания голени устраняет чрезмерное сгибание протеза в фазе переноса и снижает ударное воздействие на элементы ИКС от инерционных сил голени и ступни в момент полного разгибания протеза. Это позволяет улучшить биомеханические характеристики, уменьшить динамическую асимметрию и дискомфорт при ходьбе, снизить энергозатраты инвалида (Б.С.Фарбер и др. Теоретические основы построения протезов нижних конечностей и коррекции движения, под ред. Б.С.Фарбера, кн. 2, М. ЦНИИПП, 1994).One of the ways to solve the problem is the introduction of the ICS braking mechanism with the provision of regulation of the braking force. It is advisable to take into account that the magnitude of the braking force during bending can significantly differ both in a larger and smaller direction from the braking force during bending. The difference in braking forces depends on the pace and individual characteristics of the disabled person’s walking, as well as on the technical characteristics of the prosthesis itself: the rigidity of the foot and toe of the foot, the presence of a pull and ankle device and other parameters. The presence in the ICS of the mechanism of braking of the lower leg eliminates excessive bending of the prosthesis in the transfer phase and reduces the impact on the elements of the ICS from the inertial forces of the lower leg and foot at the time of complete extension of the prosthesis. This allows you to improve biomechanical characteristics, reduce dynamic asymmetry and discomfort when walking, reduce the energy consumption of a disabled person (B.S. Farber and others. Theoretical foundations of the construction of lower limb prostheses and movement correction, edited by B.S. Farber, book 2, M TsNIIPP, 1994).

Существуют различные технические решения, обеспечивающие подтормаживание. Так, в четырехосном ИКС (модели 3R20 и 3R36 фирмы "Otto Bock", см. техническое описание 647G72-3000-05.00-MD) механизмы подтормаживания совмещены с механизмом вращения на основе разрезных конических втулок, стягиваемых винтом. При этом установленная при регулировании величина силы подтормаживания остается постоянной как при сгибании, так и разгибании.There are various technical solutions that provide braking. So, in a four-axis IKS (models 3R20 and 3R36 of the Otto Bock company, see technical description 647G72-3000-05.00-MD), the braking mechanisms are combined with the rotation mechanism based on split conical bushings pulled together by a screw. In this case, the braking force set during regulation remains constant both during bending and unbending.

В известном ИКС (RU 2084209 С1, АО “Западно-Украинский бизнес-центр”, 20.07.1997) подтормаживание осуществляется за счет обжатия втулкой с прорезью обгонной муфты. В другой конструкции (DE 3923056 A1, Kunne, 24.01.1991) средство подтормаживания включает в себя обгонную муфту, тормозной элемент и средство управления силой подтормаживания.In the well-known ICS (RU 2084209 C1, JSC “West Ukrainian Business Center”, 07.20.1997), the braking is performed due to compression by the sleeve with a slot of the overrunning clutch. In another design (DE 3923056 A1, Kunne, 01.24.1991), the braking means includes an overrunning clutch, a brake element and means for controlling the braking force.

Наиболее близким по технической сущности является ИКС с использованием для подтормаживания обгонной муфты и подтормаживающей втулки с прорезью, конструкция которого обеспечивает подтормаживание в одном направлении и свободное вращение в другом направлении (US 6355071 B1, Cheng, 12.03.2002).The closest in technical essence is the ICS with the use of an overrunning clutch and a braking sleeve with a slot for braking, the design of which provides braking in one direction and free rotation in the other direction (US 6355071 B1, Cheng, 03/12/2002).

Отсутствие возможности самостоятельного (раздельного) управления подтормаживанием как при сгибании, так и при разгибании голени ограничивает возможность приближения динамики движения голени протеза к норме, что является основным недостатком как ближайшего аналога, так и вышеуказанных технических решений. Еще одним недостатком ближайшего аналога является то, что при каждом шаге, в момент перехода ИКС из состояния покоя в состояние вращения, происходит “срыв”, ощущаемый инвалидом как дискомфорт при ходьбе, что связано с “сухим” трением, при котором, как известно, коэффициент трения покоя значительно выше коэффициента трения скольжения.The lack of the possibility of independent (separate) control of the braking both during flexion and extension of the lower leg limits the possibility of approximating the dynamics of movement of the lower leg of the prosthesis to normal, which is the main disadvantage of both the closest analogue and the above technical solutions. Another drawback of the closest analogue is that at each step, at the time of the transition of the IKS from the rest state to the state of rotation, a “breakdown” occurs, felt by the disabled person as discomfort when walking, which is associated with “dry” friction, in which, as you know, the coefficient of static friction is much higher than the coefficient of sliding friction.

Задачей настоящего изобретения является создание механизма, позволяющего устранить указанные недостатки, а именно: обеспечить возможность независимого управления подтормаживанием и при сгибании, и при разгибании голени, а также обеспечить плавный - без “срыва” - переход ИКС из состояния покоя во вращательное движение.The objective of the present invention is to provide a mechanism to eliminate these drawbacks, namely: to provide the ability to independently control the braking and bending, and during extension of the lower leg, as well as to ensure a smooth - without “stalling” - transition of the IKS from rest to rotational motion.

Технический результат - повышение комфортности и снижение энергозатрат инвалида при ходьбе на протезе - достигается тем, что искусственный коленный сустав содержит бедренную и голенную части, связанные между собой механизмом ограниченного поворота, имеющим по меньшей мере одну ось и подшипники, механизм подтормаживания, включающий обгонную муфту, установленную на оси и охваченную втулкой с прорезью, и винт регулирования силы обжатия муфты втулкой. Сустав содержит дополнительно идентичную упомянутой обгонную муфту, втулку с прорезью, винт регулирования силы обжатия муфты втулкой, а также узел смазывания, при этом обе упомянутые муфты установлены на оси по разрешенному направлению вращения встречно, втулки имеют длину, меньшую чем длина муфт. Каждый винт регулирования силы обжатия муфты втулкой размещен в пазу, образованном на ее внешней поверхности, паз перпендикулярен оси втулки и пересекает прорезь, а резьбовые отверстия под упомянутые винты выполнены в теле одной из частей сустава. Между головкой винта и втулкой размещен упругий элемент, охватывающий винт, а узел смазывания охватывает втулки и контактирует с наружными поверхностями муфт.The technical result - increasing comfort and reducing the energy consumption of a disabled person when walking on the prosthesis - is achieved by the fact that the artificial knee joint contains the femoral and lower leg parts, interconnected by a limited rotation mechanism having at least one axis and bearings, a braking mechanism including an overrunning clutch, mounted on an axis and covered by a sleeve with a slot, and a screw for adjusting the compression force of the coupling by the sleeve. The joint further comprises an identical overrunning clutch, a slotted sleeve, a screw for adjusting the compression force of the sleeve by the sleeve, as well as a lubrication unit, both of which are mounted on an axis in the opposite direction of rotation, the bushings have a length shorter than the length of the sleeve. Each screw controlling the compression force of the sleeve by the sleeve is placed in a groove formed on its outer surface, the groove is perpendicular to the axis of the sleeve and intersects the slot, and the threaded holes for the said screws are made in the body of one of the parts of the joint. Between the screw head and the sleeve there is an elastic element covering the screw, and the lubrication unit covers the bushings and contacts the outer surfaces of the couplings.

Сустав может характеризоваться тем, что упругий элемент выполнен в виде набора тарельчатых пружин, а также тем, что резьбовые отверстия под винты выполнены в бедренной части.The joint can be characterized by the fact that the elastic element is made in the form of a set of Belleville springs, as well as the fact that the threaded holes for the screws are made in the femoral part.

Сустав может характеризоваться и тем, что узел смазывания имеет маслосодержащий элемент в кожухе и фитили в форме шайб, установленные на муфтах.The joint can also be characterized by the fact that the lubrication unit has an oil-containing element in the casing and wicks in the form of washers mounted on the couplings.

Сустав может характеризоваться, кроме того, тем, что прорезь втулки выполнена под углом к ее продольной оси, а также тем, что на внешних поверхностях разрезной втулки, перпендикулярных оси паза, выполнены опорные площадки, расположенные симметрично с обеих сторон паза, причем расстояние от оси втулки до плоскости, проходящей через середины всех опорных площадок, равно расстоянию между осью упомянутых подшипников и осью резьбового отверстия под винт, а ширина площадок меньше ширины паза.The joint can be characterized, in addition, by the fact that the slot of the sleeve is made at an angle to its longitudinal axis, and also by the fact that on the outer surfaces of the split sleeve perpendicular to the axis of the groove, support pads are arranged symmetrically on both sides of the groove, and the distance from the axis bushings to a plane passing through the middle of all the bearing pads, equal to the distance between the axis of the mentioned bearings and the axis of the threaded hole for the screw, and the width of the pads is less than the width of the groove.

Существо изобретения поясняется на фигурах, где:The invention is illustrated in the figures, where:

на фиг.1 изображена конструкция ИКС с подтормаживающим механизмом;figure 1 shows the design of the ICS with a braking mechanism;

на фиг.2 - то же, что на фиг. 1, разрез по А-А;figure 2 is the same as in fig. 1, a section along AA;

на фиг.3 - механизм подтормаживания в разобранном состоянии;figure 3 - the braking mechanism in a disassembled state;

на фиг.4 - разрезная втулка;figure 4 - split sleeve;

на фиг.5 - то же, что на фиг. 4, вид со стороны прорези.in Fig.5 - the same as in Fig. 4, view from the side of the slot.

Принципы изобретения раскрываются на нижеприведенном примере четырехосного ИКС и могут быть применены как в моно-, так и в полицентрических ИКС различных модификаций.The principles of the invention are disclosed in the following example of a four-axis IKS and can be applied both in mono-and in polycentric IKS of various modifications.

ИКС содержит две основные составные части: бедренную часть 10, которая при изготовлении протеза соединяется с приемной гильзой бедра, и голенную часть 12, соединяемую с искусственной голенью. Части 10 и 12 связаны между собой механизмом 13 вращения, включающим в себя ось 14 и звенья 16. Ось 14 установлена в корпусе 18 бедренной части 10 на подшипниках 20 и неподвижно соединена со звеньями 16.IKS contains two main components: the femoral part 10, which in the manufacture of the prosthesis is connected to the receiving sleeve of the thigh, and the lower part 12, connected to the artificial lower leg. Parts 10 and 12 are interconnected by a rotation mechanism 13 including an axis 14 and links 16. The axis 14 is mounted in the housing 18 of the femoral part 10 on bearings 20 and is fixedly connected to the links 16.

Механизм 22 подтормаживания представляет собой две обгонные муфты 24, далее обозначенные как 241 и 242, установленные на оси 14 встречно по разрешающему направлению вращения и охваченные втулками 26 (далее 261, 262) с прорезью. Через пазы 28 втулок 26 проходят регулировочные винты 30 (301, 302), которые ввернуты в корпус 18 и через упругие элементы 32 и шайбы 34 поджимают втулки 26 к поверхности 36 корпуса 18. При этом втулки 26 обжимают муфты 24, создавая подтормаживающую силу. В качестве обгонных муфт 24 (241 и 242) могут быть использованы серийно выпускаемые фирмой INA-Schaeffler (Germany) обгонные муфты типа HF.The braking mechanism 22 is two overrunning clutches 24, hereinafter referred to as 241 and 242, mounted on the axis 14 opposite to the resolving direction of rotation and covered by bushings 26 (hereinafter 261, 262) with a slot. Adjusting screws 30 (301, 302) pass through the grooves 28 of the bushings 26, which are screwed into the housing 18 and, through the elastic elements 32 and washers 34, push the bushings 26 to the surface 36 of the housing 18. At the same time, the bushings 26 compress the couplings 24, creating a braking force. As overrunning clutches 24 (241 and 242), overrunning clutches of the HF type can be used commercially available from INA-Schaeffler (Germany).

На наружных поверхностях втулок 26, перпендикулярных оси винта 30, имеются опорные площадки 38, 39 для контакта с поверхностью 36 и шайбой 34. Площадки 38, 39 расположены симметрично с двух сторон паза 28. Ширина площадок 38, 39 меньше диаметра винта 30. Такая конструкция предотвращает возможность возникновения изгибающего момента, действующего на винт 30, а также способствует стабильности регулировочных характеристик при серийном изготовлении.On the outer surfaces of the bushings 26, perpendicular to the axis of the screw 30, there are bearing pads 38, 39 for contact with the surface 36 and the washer 34. The pads 38, 39 are located symmetrically on both sides of the groove 28. The width of the pads 38, 39 is less than the diameter of the screw 30. This design prevents the occurrence of bending moment acting on the screw 30, and also contributes to the stability of the adjusting characteristics in serial production.

Втулка 26 имеет прорезь 42, расположенную под углом α к продольной оси втулки, что уменьшает влияние отклонения от цилиндричности наружной поверхности муфты 24 на изменение величины силы трения между этой поверхностью и втулкой. Величина угла α составляет 10-30°. Если прорезь параллельна оси втулки, то возможные микронеровности, обусловленные нецилиндричностью поверхности муфты, перемещаясь в зоне прорези, могут вызывать изменение силы трения. Поэтому цилиндрическая поверхность муфты 24 не требует повышенного качества изготовления.The sleeve 26 has a slot 42 located at an angle α to the longitudinal axis of the sleeve, which reduces the effect of deviations from the cylindricality of the outer surface of the sleeve 24 on the change in the magnitude of the friction force between this surface and the sleeve. The angle α is 10-30 °. If the slot is parallel to the axis of the sleeve, then possible roughness due to the non-cylindrical surface of the coupling, moving in the zone of the slot, can cause a change in the friction force. Therefore, the cylindrical surface of the coupling 24 does not require high quality workmanship.

Механизм 22 подтормаживания имеет узел смазывания, состоящий из маслосодержащего элемента 44 и двух фитилей-шайб 46, поджатых к разрезным втулкам 26 посредством кожуха 48 и шайб 50 соответственно.The braking mechanism 22 has a lubrication unit, consisting of an oil-containing element 44 and two wicks-washers 46, pressed against the split sleeves 26 by means of a casing 48 and washers 50, respectively.

Механизм работает следующим образом.The mechanism works as follows.

При ходьбе на протезе ось 14 с закрепленными на ней звеньями 16 циклически вращается в корпусе 18 на подшипниках 20. При сгибании ИКС ось 14 свободно поворачивается в одной из муфт 24, например в муфте 241, при этом муфта 242 фиксируется на оси 14 и поворачивается вместе с осью во втулке 262, преодолевая трение между соприкасающимися поверхностями муфты 242 и втулки 262. При разгибании ИКС ось 14 свободно поворачивается в муфте 242, а муфта 241 поворачивается вместе с осью 14, преодолевая трение между соприкасающимися поверхностями муфты 241 и втулки 261. Силы подтормаживания регулируются независимо: при сгибании -регулировочным винтом 302, при разгибании - винтом 301.When walking on the prosthesis, the axis 14 with the links 16 fixed on it rotates cyclically in the housing 18 on the bearings 20. When the ICS is bent, the axis 14 freely rotates in one of the couplings 24, for example, in the coupling 241, while the coupling 242 is fixed on the axis 14 and rotates together with the axis in the sleeve 262, overcoming the friction between the contacting surfaces of the sleeve 242 and the sleeve 262. When the ICS is unbent, the axis 14 rotates freely in the sleeve 242, and the sleeve 241 rotates with the axis 14, overcoming the friction between the contacting surfaces of the sleeve 241 and sleeve 261. The forces are relieved the bracing is independently adjustable: during bending, with the adjusting screw 302, during bending, with the screw 301.

Для уменьшения износа и обеспечения плавной работы механизма трущиеся поверхности смазываются фитилями-шайбами 46 из маслосодержащего элемента 44.To reduce wear and ensure smooth operation of the mechanism, the friction surfaces are lubricated with wicks-washers 46 from the oil-containing element 44.

Таким образом, патентуемая конструкция позволяет в процессе протезирования провести более точную индивидуальную подстройку динамики движения искусственной голени при ходьбе на протезе, что обеспечивается возможностью независимого регулирования сил подтормаживания и при сгибании, и при разгибании ИКС.Thus, the patented design allows in the process of prosthetics to carry out a more precise individual adjustment of the dynamics of the movement of the artificial lower leg when walking on the prosthesis, which is provided by the possibility of independent regulation of the braking forces during bending and during extension of the ICS.

Claims

1. An artificial knee joint containing the femoral and lower leg parts interconnected by a limited rotation mechanism having at least one axis and bearings, a braking mechanism including an overrunning clutch mounted on an axis and covered by a slot with a slot, and a screw for adjusting the compression force of the clutch sleeve, characterized in that it further comprises an identical overrunning clutch, a sleeve with a slot, a screw for adjusting the compression force of the sleeve with a sleeve, and also a lubrication unit, both of which are installed on the axis in the opposite direction of rotation, the bushings have a length shorter than the length of the couplings, each screw for adjusting the compression force of the coupling with the sleeve is placed in a groove formed on its outer surface, the groove is perpendicular to the axis of the sleeve and intersects the slot, and the threaded holes for the said screws are made in the body of one of the parts of the joint, while between the screw head and the sleeve there is an elastic element covering the screw, and the lubrication unit covers the sleeve and is in contact with the outer surfaces of the couplings.

2. The joint according to claim 1, characterized in that the elastic element is made in the form of a set of Belleville springs.

3. The joint according to claim 1, characterized in that the threaded holes for the screws are made in the femoral part.

4. The joint according to claim 1, characterized in that the lubrication unit contains an oil-containing element in the casing and wicks in the form of washers mounted on the couplings.

5. The joint according to claim 1, characterized in that the slot of the sleeve is made at an angle to its longitudinal axis.

6. The joint according to any one of paragraphs. 1-5, characterized in that on the outer surfaces of the split sleeve perpendicular to the axis of the groove, support pads are arranged symmetrically on both sides of the groove, and the distance from the axis of the sleeve to the plane passing through the middle of all the support pads is equal to the distance between the axis of the said bearings and the axis of the threaded hole for the screw, and the width of the pads is less than the width of the groove.