RU227402U1 - Гидравлический амортизатор коленного модуля - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к управляемым механизмам для коленных модулей протезов нижних конечностей и может быть использована для амортизации и подтормаживания движений элементов протезов нижней конечности. Гидравлический амортизатор коленного модуля содержит цилиндрический корпус с крышками, образующими камеру, в которой подвижно установлен поршень с боковой поверхностью, разделяющий объем камеры на первую и вторую полости. Первая и вторая полости сообщаются посредством трубопровода с встроенным в него дросселем, при этом вторая полость сообщается с трубопроводом через выполненную продольно в стенке корпуса в зоне, перекрываемой поршнем в его крайнем положении, прорезь. Перед достижением поршнем его крайнего положения во второй полости обеспечивается подтормаживание с момента начала перекрывания боковой поверхностью поршня входного отверстия в соединяющий первую и вторую полости трубопровод. При постепенном перекрывании боковой поверхностью поршня уменьшается сечение входа масла в трубопровод, что приводит к росту сопротивления движению поршня и его постепенному замедлению. 2 ил.

Description

Полезная модель относится к управляемым механизмам для коленных модулей протезов нижних конечностей и может быть использована для амортизации и подтормаживания движений элементов протезов нижней конечности.

Гидравлические амортизаторы являются широко применяемыми механизмами, с помощью которых изменяется сопротивление сгибанию и/или разгибанию протеза нижней конечности.

Степень сопротивления сгибанию определяет степень свободы махового движения назад голенной частью протеза, соответственно, степень сопротивления разгибанию определяет степень свободы махового движения вперед. В механизмах протезов нижней конечности дополнительно предусматривают возможность подтормаживания движения поршня гидравлического амортизатора в концевой зоне хода с целью снижения ударного воздействия на элементы протеза от инерционных сил голенной части в момент полного сгибания и разгибания протеза.

Известен ряд технических решений, применяемых для подтормаживания движений элементов протезов нижней конечности с помощью механических приспособлений. Так в искусственных коленных суставах, раскрытых в патенте РФ на полезную модель №35972 и патенте РФ на изобретение №2254832 (опубл. 27.06.2005 г.) установлены механизмы подтормаживания. В демпфирующем устройстве, известном по патенту РФ на изобретение №2674875 (опубл. 13.12.2018 г.) подвижно установленный поршень перемещается в камере, имеющей коническое расширение вверх, так что при движении сгибания протезного коленного сустава, постоянно имеющаяся щель между поршнем и стенкой камеры становится все меньше, что приводит к повышению трения в концевой зоне хода поршня, и, соответственно, к замедлению продвижения поршня, при этом конусный угол выбран так, что как в верхней, так и в нижней точке изменения направления движения поршня обеспечивается, с одной стороны, возможность сдвига внутри камеры и, с другой стороны, достаточная герметизация с помощью уплотнительного кольца.

Недостатком указанных технических решений является то, что в них применяются сложные механические конструкции, предусматривающие, в частности, смазывание частей в процессе работы, а также специальные материалы.

Известен также ряд технических решений, применяемых для подтормаживания движений элементов протезов нижней конечности путем управления движением по данным, полученным от датчиков, например, нагрузки, угла колена и угла инерции, при этом результаты обработки сигналов датчиков используются для определения степени и фазы увеличения или уменьшения сопротивления. Управление скоростью движения поршня осуществляют, закрывая и открывая дроссели и клапаны гидравлического контура с замедлением перед полным перекрытием каналов перетока рабочего тела, за счет чего плавно останавливается движение элементов протезов нижней конечности.

Известно гидравлическое демпфирующее устройство по патенту РФ на изобретение №2488367 (опубл. 17.07.2013 г.), в котором для ограничения движения распрямления частей протеза применяется упор в виде запирающего клапана с электромеханическим приводом, осуществляющим управление клапаном на основе данных датчиков. В создающем сопротивление устройстве, известном по патенту РФ №253967 (опубл. 27.11.2014 г.) предусмотрено повышение сопротивления от исходного значения в фазе стояния вплоть до блокирования коленного сустава при 4° угла колена в зависимости от данных датчиков, с помощью которых за счет взаимосвязи нескольких условий определяется, увеличивать или уменьшать сопротивление и в какой степени. В устройстве для управления протезом сустава нижней конечности, известном по патенту РФ №2572741 (опубл. 20.01.2016 г.), сопротивление сгибанию и/или сопротивление разгибанию в амортизаторе изменяется в зависимости от данных датчиков, причем во время использования сустава с помощью датчиков обеспечивается информация состояния, так что незадолго перед достижением полного разгибания сопротивление увеличивается с целью предотвращения жесткого удара в упор разгибания. В устройстве, реализующем способ управления изменением амортизации искусственного сустава, известном по патенту РФ на изобретение №2722448 (опубл. 01.06.2020 г.), выполненном в виде гидропривода, предусмотрено регулировочное устройство, при помощи которого изменяется сопротивление амортизатора, если сигнал датчика согласованного с регулировочным устройством блока управления активирует регулировочное устройство. В гидромеханизме коленного модуля, известном по патенту РФ на полезную модель №214484 (опубл. 31.10.2022 г.) для блокирования сгибания коленного модуля в фазе опоры предусмотрено автоматическое отсечение в нужный момент потока жидкости соответствующей магистрали при срабатывании электронного клапана. Электронный блок управления коленным модулем выполнен с возможностью регулировки скорости сгибания и скорости разгибания коленного модуля на основании информации о скорости ходьбы, полученных посредством электронных датчиков. За счет датчиков акселерометров электронный блок управления получает информацию о характере и скорости перемещения человека в пространстве, а электронные сервоприводы оперативно подстраивают дроссели гидромеханизма под темп и характер передвижения.

Общим недостатком указанных амортизаторов является то, что для моментального реагирования при управлении изменением скорости перемещения поршня в камере с несжимаемым рабочим телом необходимы высокоскоростные сервоприводы, дроссели и клапаны, резко перекрывающие каналы перетока. При быстрой ходьбе пользователя протеза, когда поршень амортизатора входит в концевую зону хода с высокой скоростью, вязкость рабочей жидкости препятствует резкому перекрыванию каналов, что допускает ударное воздействия на элементы протеза при полном сгибания и разгибании. Кроме того, ограничивающими факторами являются точность определенных или зарегистрированных данных, сложность обрабатываемых данных, достоверность распознавания движения по данным датчиков и конструктивная сложность.

Известен также ряд технических решений, в которых движения элементов протезов нижней конечности подтормаживают, изменяя в гидроамортизаторах проходное сечение каналов (трубопроводов, маслопроводов) на их входах.

По патенту РФ на изобретение №2550001 (опубл. 10.15.2015 г.) известен гидравлический демпфер шарнирного устройства протеза нижней конечности, который помимо управления на фазе переноса как результата сопротивления движению осуществляет также демпфирование на конечной стадии сгибания и демпфирование в конце хода разгибания, которое может быть достигнуто за счет исполнения проточных каналов внутри демпфера. В гидравлическом демпфере происходит отток вытесненной движением поршня гидравлической жидкости через отверстие в поршневом штоке, в котором выполнен узкий канал. Как только поршень перекрывает отверстие и жидкость должна вытекать через канал, благодаря эффекту дросселирования и специальной геометрии канала происходит последовательное (постепенное) повышение демпфирования. Чем больше сокращается проточное поперечное сечение, тем больше повышается демпфирование. Для стороны сгибания и стороны разгибания могут быть выполнены каналы различной геометрии, чтобы обеспечить различное демпфирование в направлении сгибания и направлении разгибания.

Недостатком известного амортизатора является сложность выполнения каналов специальной геометрии, а также сложность конструкции в целом, что не обеспечивает достаточной надежности.

По патенту РФ на изобретение №2767559 (опубл. 17.03.2022 г.) известен амортизатор гидравлический регулируемый с гидродемпфером, имеющим выступающую часть, закрепленную на плавающем поршне, которая при прямом ходе поршня в концевой зоне приближается к гнезду, в которое выходит отдельный канал, перекрывая при этом сечение отдельного канала, снижая тем самым скорость циркуляции рабочей жидкости и замедляя прямой ход поршня и предотвращая удар поршня о торец камеры гидроцилиндра.

Недостатком известного амортизатора является сложность конструкции, так как для стабилизации внутреннего давления амортизатора с целью предотвращения внутренних разрушений необходимо выполнение дополнительных обратных клапанов и уравновешивающих каналов.

Наиболее близким по технической сущности аналогом разработанного гидравлического амортизатора коленного модуля является гидравлический амортизатор, известный по патенту РФ на изобретение №2141290 (опубл. 20.11.1999 г.). В ближайшем аналоге корпус образует концентрическую камеру, в которой с возможностью вращательного движения установлен поршень. Поршень делит камеру на первую и вторую полости. Для подтормаживания в конечном положении поршня во второй полости связывающий первую и вторую полости трубопровод соединен со второй полостью через отверстие в стенке корпуса таким образом, что вращающийся поршень в последней зоне своего вращательного движения все в большей степени перекрывает это отверстие. По мере разгибания протеза вращательный поршень нагнетает масло из второй полости через соединительный трубопровод в первую полость. Благодаря возрастающему перекрыванию входного отверстия этого выпускного трубопровода вращающимся поршнем вызывается дросселирующий эффект, способствующий амортизации при разгибании протеза. При этом характер амортизации может определяться проходящим мимо отверстия контуром боковой поверхности вращающегося поршня.

Однако, входное отверстие в трубопровод в ближайшем аналоге выполнено с длиной, приблизительно равной ширине, и для растягивания процесса подтормаживания постепенное перекрывание отверстия боковой поверхность поршня обеспечено превышением кривизной этой боковой поверхности кривизны стенки корпуса, так что между боковой поверхность поршня и стенкой камеры в начале перекрывания отверстия остается зазор, при этом полностью отверстие перекрывается в конце хода поршня. Это делает конструкцию ближайшего аналога избыточно сложной.

Таким образом, задачей, на решение которой направлена разработанная полезная модель, является снижение технологических требований к конструкции гидравлического амортизатора коленного модуля.

Технической проблемой, соответственно, является разработка гидравлического амортизатора упрощенной и надежной конструкции, в котором обеспечено подтормаживание поршня при его движении в крайних положениях.

Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в упрощении и повышении надежности конструкции гидравлического амортизатора коленного модуля с подтормаживанием.

Сущность разработанного гидравлического амортизатора коленного модуля заключается в том, что он так же, как ближайший аналог, содержит корпус с камерой, в которой подвижно установлен поршень с боковой поверхностью, разделяющий объем камеры на первую и вторую полости, сообщающиеся посредством трубопровода, с встроенным в него дросселем, при этом вторая полость сообщается с трубопроводом через отверстие, выполненное в стенке корпуса в перекрываемой поршнем в его крайнем положении зоне

Новым в разработанном гидравлическом амортизаторе коленного модуля является то, что корпус выполнен цилиндрическим с крышками на торцах, отверстие выполнено в форме вытянутой вдоль корпуса прорези, длина которой сопоставима с толщиной поршня, при этом длина прорези не превышает толщины поршня.

В разработанном гидравлическом амортизаторе коленного модуля перед достижением поршнем его крайнего положения во второй полости обеспечивается подтормаживание с момента начала перекрывания боковой поверхностью поршня входного отверстия в соединяющий первую и вторую полости трубопровод. При постепенном перекрывании боковой поверхностью поршня уменьшается сечение входа масла в трубопровод, что приводит к росту сопротивления движению поршня и его постепенному замедлению.

Движение поршня в камере гидроцилиндра разработанного амортизатора вверх и вниз, и, соответственно, изменение объема первой и второй полостей связано с движением звеньев коленного модуля. Демпфирующий эффект обеспечивается сопротивлением несжимаемого рабочего тела, например, масла, в соответствующей полости. Торможение движения звеньев протеза осуществляется за счет управления скоростью движения поршня, которую определяет скорость перетока масла по трубопроводу. На различных фазах шага пользователя протеза с гидравлическим амортизатором в коленном модуле за счет перетока несжимаемого рабочего тела осуществляется изменение объема первой и второй полостей. В крайних положениях голенной части протеза, то есть при согнутом или распрямленном коленном модуле, поршень в камере гидроцилиндра также занимает крайние положения. Поскольку поршень в гидроцилиндре приводится в движение при совершении шага пользователем протеза, поршень выполняется связанным с элементами коленного модуля. Соединения поршня с элементами коленного модуля возможно, например, с помощью штока, проходящего через одну из торцевых крышек гидроцилиндра, возможна также передача движения поршню рычагами, соединенными с поршнем через боковые прорези в стенках цилиндра и т.п. Управление скоростью движения поршня не зависит от вида соединения поршня с элементами коленного модуля. Независимо от конструкции коленного модуля и гидравлического амортизатора крайние положения поршня в камере гидроцилиндра соответствуют крайним позициям протеза в процессе ходьбы. Возможно соединение первой и второй полостей более чем одним каналом, например, для того, чтобы обеспечить раздельное управление движением поршня вверх и вниз. В такой реализации в каналы, помимо дросселей, встраивают обратные клапаны.

На фиг. 1 схематично показано соединение элементов гидравлического амортизатора коленного модуля в проходящем через прорезь сечении.

На фиг. 2 показаны возможные формы прорези.

Гидравлический амортизатор по фиг. 1 содержит цилиндрический корпус 1 с крышками 2,3, образующими камеру 4, в которой подвижно установлен поршень 5 с боковой поверхностью 6, разделяющий объем камеры 4 на первую полость 7 и вторую полость 8. Полости 7 и 8 сообщаются посредством трубопровода 9, с встроенным в него дросселем 10. Пропускное сечение дросселя 10 изменяется с помощью управляемого сервопривода (на чертеже не показан). Полость 8 сообщается с трубопроводом 9 через прорезь 11.

Прорезь 11 выполнена продольно в стенке корпуса 1 в зоне, перекрываемой поршнем 5 в его крайнем положении при полном опускании поршня 5 к крышке 3. Высота прорези 11 не превышает толщины поршня 5, так что при полном опускании поршня прорезь 11 не сообщается с полостью 7. Площадь прорези 11, которая является входом в трубопровод 9 из полости 8, сопоставима с площадью проходного сечения трубопровода 9.

Чтобы при опускании поршня 5 на крышку 3 не полностью перекрывалась прорезь 11 и полость 8 продолжала оставаться соединенной с трубопроводом 9, возможно, например, выполнение крышки 3 с выступом с внутренней ее стороны, в который будет упираться поршень 5 в крайнем нижнем положении. Также возможно предотвращение полного перекрытия прорези 11 упреждающим перекрытием трубопровода 9 с помощью дросселя 10.

Указанные элементы разработанного гидравлического амортизатора коленного модуля, а также другие необходимые для обеспечения работы коленного модуля элементы могут быть выполнены по книгам Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.Л. Госэнергоиздат 1960; Башта Т.М. и др. Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы. М.: «Машиностроение», 1970; Башта, Т.М. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: учебник для машиностроительных вузов / Т.М. Башта, С.С.Руднев, Б.Б. Некрасов. - 2-е изд., перераб. - Москва: Машиностроение, 1982.

Разработанный гидравлический амортизатор работает следующим образом. Скоростью обусловленного воздействием на поршень 5 элементов коленного модуля движения поршня 5 в корпусе 1 вниз, то есть в направлении крышки 3, управляют путем перекрывания трубопровода 9 с помощью дросселя 10. Скорость движения поршня 5 при этом снижается. После достижения нижней границей боковой поверхности 6 верхней точки прорези 11 при продвижении поршня 5 прорезь 11 постепенно перекрывается и, таким образом, уменьшается рабочее проходное сечение трубопровода 9, что ведет к уменьшению перетока масла по трубопроводу 9. Это обеспечивает дополнительное торможение движения поршня 5 в концевой зоне хода при его приближении к крайнему положению. При подтормаживании движения поршня в концевой зоне его хода, несколько удлиняется фаза торможения, и в связи с этим увеличивается период закрывания дросселя 10 воздействующим на него сервоприводом и обеспечивается надежность перекрытия трубопровода 9.

Выполнение прорези 11 по фиг. 2 с одной и той же шириной на всем ее протяжении приводит к линейному уменьшению площади входного сечения из полости 8 в трубопровод 9. Выполнение прорези 11 с закругленными углами технологически более оправдано, чем с прямыми углами, но зависимость площади входного сечения из полости 8 в трубопровод 9 от положения поршня 5 в начале процесса перекрытия прорези 11 отклоняется от линейной. Выполнение прорези 11 с шириной вверху большей, чем ширина внизу, делает зависимость площади входного сечения из полости 8 в трубопровод 9 от положения поршня 5 нелинейной, при этом обеспечивается нарастание торможения движения поршня 5 вниз.

Таким образом, несмотря на простую конструкцию разработанного гидравлического амортизатора коленного модуля, обеспечивается его надежность, кроме того, при уменьшении потока масла из полости 8 от сервопривода, воздействующего на перекрывающий трубопровод 9 дроссель 10, не требуется особого быстродействия.

Claims (1)

1. Гидравлический амортизатор коленного модуля, содержащий корпус с камерой, в которой подвижно установлен поршень с боковой поверхностью, разделяющий объем камеры на первую и вторую полости, сообщающиеся посредством трубопровода, с встроенным в трубопровод дросселем, при этом вторая полость сообщается с трубопроводом через выполненное в стенке корпуса отверстие, перекрываемое поршнем в его крайнем положении, отличающийся тем, что корпус выполнен цилиндрическим с крышками на торцах, отверстие выполнено в форме вытянутой вдоль оси корпуса прорези, длина прорези не превышает толщины поршня, при этом гидравлический амортизатор коленного модуля выполнен с возможностью постепенного перекрывания боковой поверхностью поршня прорези при движении поршня вдоль стенки корпуса.

Images