RU2341233C2

RU2341233C2 - Artificial arm

Info

Publication number: RU2341233C2
Application number: RU2006114183/14A
Authority: RU
Inventors: Алла Владимировна Терешина (RU); Алла Владимировна Терешина; Лев Георгиевич Сорокин (RU); Лев Георгиевич Сорокин; Сергей Васильевич Ершов (RU); Сергей Васильевич Ершов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date: 2006-04-25
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2008-12-20
Also published as: RU2006114183A

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: artificial arm contains facing, a skeleton the first finger and block II-V of fingers established in it on axes, pivotally bound among themselves by means of two intermediate levers, one of them is double-armed, spring, pulley, draught bridged to it, cam and roller. The cam is established on one axis with the spring-actuated pulley and it is rigidly bound to it. The roller is located on the free extremity of the double-armed lever and drawn in to a surface of the cam by means of the additional spring simultaneously turning fingers of the arm in opened position. The cam is profiled in such a manner that force of friction of rest of a roller is equal or higher of its force of rolling along the cam. At remission of the spring-actuated pulley and cam rigidly bound to it last through the roller and levers, fixes fingers in any position, including intermediate position.

EFFECT: reliability and functionality of a prosthesis increases.

6 dwg

Description

Изобретение относится к области медицинской техники и предназначено для использования в протезах верхних конечностей с тяговым управлением.The invention relates to the field of medical technology and is intended for use in traction-controlled upper limb prostheses.

Известны искусственные кисти по авторским свидетельствам СССР №646989 от 17.08.77 и №1785670 от 20.02.91, содержащие корпус, первый палец, блок II-V пальцев на осях, а также механизмы раскрытия-закрытия пальцев и их дожатия.Known artificial brushes according to copyright certificates of the USSR No. 646989 of 08/17/77 and No. 1785670 of 02/20/91, containing a body, a first finger, a block of II-V fingers on the axes, as well as mechanisms for opening and closing the fingers and squeezing them.

Данные устройства позволяют не только раскрыть искусственную кисть на необходимую величину и взять требуемый предмет, но также дают возможность увеличить силу схвата этого предмета пропорционально его весу, что повышает удобство пользования кистью.These devices allow not only to open the artificial brush to the required size and take the desired item, but also provide an opportunity to increase the grip force of this item in proportion to its weight, which increases the ease of use of the brush.

Общими недостатками, свойственными вышеупомянутым протезам кистей, являются их конструктивная сложность, а главное - наличие двух тяг, потребных для управления их работой.Common shortcomings inherent in the aforementioned prosthetic brushes are their structural complexity, and most importantly - the presence of two rods required to control their work.

Известна, кроме того, искусственная кисть по авторскому свидетельству №507318 от 30.10.74, содержащая корпус, первый палец, блок II-V пальцев на осях, а также механизмы раскрытия-закрытия пальцев и их дожатия, которые в данном случае совмещены таким образом, что могут управляться одной тягой.In addition, an artificial brush is known according to the author’s certificate No. 507318 of 10.30.74, containing a body, a first finger, a block of II-V fingers on the axes, as well as mechanisms for opening and closing the fingers and squeezing them, which in this case are combined in such a way that can be controlled by one traction.

Сокращение числа тяг значительно упрощает алгоритм управления этим протезом кисти, однако, так же, как и в предыдущих конструкциях, оставляет механизм протеза достаточно сложным. Так как совмещение механизмов в данном случае привело к увеличению потребного хода тяги, а введение в конструкцию большего количества пружин - к увеличению управляющего усилия на этой тяге, необходимого для раскрытия кисти. К тому же функциональность этой кисти недостаточна из-за фиксированной величины силы дожатия.Reducing the number of rods greatly simplifies the algorithm for controlling this brush prosthesis, however, just like in previous designs, it leaves the prosthesis mechanism rather complicated. Since the combination of mechanisms in this case led to an increase in the required traction stroke, and the introduction of a larger number of springs into the design led to an increase in the control force on this traction necessary for opening the brush. In addition, the functionality of this brush is insufficient due to a fixed amount of squeezing force.

Вышеупомянутые недостатки делают проблематичным использование упомянутых протезов кистей для ослабленных инвалидов и детей.The aforementioned drawbacks make it difficult to use the aforementioned brush prostheses for debilitated disabled people and children.

Известен также протез кисти по патенту Украины №42205 от 15.10.2001 взятый за прототип.Also known is the prosthesis of the brush according to the patent of Ukraine No. 42205 of 10/15/2001 taken as a prototype.

Данная искусственная кисть содержит каркас, закрепленные в нем на осях первый палец и блок II-V пальцев, которые шарнирно связаны посредством промежуточных звеньев со шкивом, выполненным за одно с барабаном. На поверхности барабана установлена пружина-тормоз, один конец которой жестко зафиксирован на корпусе кисти, а другой - загнут в виде петли, через которую пропущена тяга, прикрепленная к шкиву с барабаном. Внутри барабана размещена пружина кручения, один конец которой зафиксирован на шкиве, а другой - на оси. Для выполнения регулировки предусмотрена возможность поворота оси, после чего она может фиксироваться с одного конца гайкой, а с другого - упором.This artificial brush contains a frame mounted on it on the axes of the first finger and the block II-V of the fingers, which are pivotally connected through intermediate links with a pulley made in one with the drum. A spring-brake is installed on the surface of the drum, one end of which is rigidly fixed to the brush body, and the other is bent in the form of a loop through which a rod is attached, attached to a pulley with a drum. Inside the drum there is a torsion spring, one end of which is fixed on the pulley, and the other on the axis. To perform the adjustment, it is possible to rotate the axis, after which it can be fixed on one end with a nut, and on the other with a stop.

Особенностью работы этого протеза является то, что односторонний пружинный тормоз не позволяет самопроизвольно раскрываться пальцам кисти независимо от их положения. Увеличение силы схвата в данном протезе кисти производится "пассивно", дожатием о внешний упор или другой рукой, при этом односторонний пружинный тормоз позволяет выбрать образующийся в процессе дожатия люфт путем проворачивания барабана со шкивом относительно пружины-тормоза под действием пружины кручения. В результате такого дожатия сила схвата кисти может быть поднята до значительных величин, ограничиваемых только прочностью и жесткостью удерживаемого предмета и самой кисти. Следует отметить, что дожатие в данной конструкции не приводит к увеличению усилия на тяге при раскрытии кисти, так как для освобождения шкива с барабаном достаточно незначительного отклонения первого витка пружины-тормоза.A feature of the work of this prosthesis is that the one-sided spring brake does not allow spontaneous opening of the fingers of the hand, regardless of their position. The grip force in this prosthesis of the hand is increased “passively” by pressing against an external stop or with the other hand, while the one-sided spring brake allows you to select the backlash formed in the process of squeezing by turning the drum with a pulley relative to the brake spring under the action of a torsion spring. As a result of such a squeeze, the gripping power of the brush can be raised to significant values, limited only by the strength and rigidity of the held object and the brush itself. It should be noted that the compression in this design does not lead to an increase in the pulling force when opening the brush, since a slight deviation of the first turn of the spring-brake is sufficient to release the pulley with the drum.

Основные недостатки конструкции протеза кисти по вышеупомянутому патенту Украины как раз и связаны с большой чувствительностью пружины-тормоза даже к небольшим усилиям для ее раскрытия:The main disadvantages of the design of the brush prosthesis according to the aforementioned patent of Ukraine are precisely connected with the great sensitivity of the spring-brake, even to small efforts to open it:

- во-первых, в связи с тем, что растормаживание пружины-тормоза производится не в момент приложения усилия на раскрытие кисти, а еще при предварительном натяжении и выборе слабины тяги, последней, для исключения случайного и неконтролируемого раскрытия протеза кисти, должна быть придана дополнительная слабина;- firstly, due to the fact that the braking of the spring-brake is not carried out at the moment of application of the effort to open the hand, but also when the tension is preloaded and the slack is selected, the latter, to prevent accidental and uncontrolled opening of the hand prosthesis, must be given slack;

- во-вторых, в том, что, опять же для исключения случайного и неконтролируемого раскрытия протеза тяга кисти должна изготавливаться из материалов более податливых и менее жестких; такие материалы, как правило, менее прочны и долговечны, чем традиционные и показавшие свою надежность, например облицованные пластиком металлические троссики, но последние обладают достаточно высокой изгибной жесткостью.- secondly, in that, again, to exclude accidental and uncontrolled opening of the prosthesis, the traction of the hand should be made of materials more pliable and less rigid; such materials, as a rule, are less strong and durable than traditional and proven to be reliable, for example, plastic crossbars lined with plastic, but the latter have a sufficiently high bending stiffness.

Как следствие, первое приводит к снижению функциональности взятого за прототип протеза кисти за счет увеличения рабочего хода его управляющей тяги, а второе - к снижению его надежности за счет необходимости использовать менее прочные и долговечные материалы для тяги.As a result, the first leads to a decrease in the functionality of the brush prosthesis taken as a prototype by increasing the working stroke of its control traction, and the second to a decrease in its reliability due to the need to use less strong and durable materials for traction.

Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно - повышение надежности и функциональности искусственной кисти за счет увеличения прочности и уменьшения величины хода ее управляющей тяги при сохранении сравнительно небольших усилий на ней при раскрытии протеза кисти.The aim of the invention is to eliminate these drawbacks, namely, increasing the reliability and functionality of an artificial brush by increasing the strength and reducing the magnitude of the stroke of its control traction while maintaining relatively little effort on it when opening the prosthesis of the brush.

Данная цель достигается тем, что в искусственной кисти, содержащей облицовку, каркас, установленные в нем на осях первый палец и блок II-V пальцев, шарнирно связанные между собой посредством двух промежуточных рычагов, один из которых двухплечий, пружину, шкив, соединенную с ним тягу, кулачок и ролик, кулачок установлен на одной оси с подпружиненным шкивом и жестко связан с ним, ролик расположен на свободном конце двухплечего рычага и поджимается к поверхности кулачка посредством дополнительной пружины, одновременно раздвигающей пальцы кисти в раскрытое положение, при этом кулачок профилирован таким образом, что сила трения покоя ролика равна или больше силы скатывания ролика по кулачку, в результате чего при освобождении подпружиненного шкива и жестко связанного с ним кулачка последний через ролик и рычаги фиксирует пальцы в любом, в том числе промежуточном положении.This goal is achieved by the fact that in the artificial brush containing the cladding, the frame installed in it on the axes of the first finger and the block of II-V fingers, pivotally interconnected by two intermediate levers, one of which is two shoulders, a spring, a pulley connected to it traction, cam and roller, the cam is mounted on the same axis with a spring-loaded pulley and rigidly connected to it, the roller is located on the free end of the two-shouldered lever and is pressed to the surface of the cam by means of an additional spring, which simultaneously extends the fingers of the kitten and in the open position, while the cam is profiled in such a way that the roller’s resting friction force is equal to or greater than the rolling force of the roller on the cam, as a result of which, when the spring-loaded pulley and the cam rigidly connected to it are released, the latter fixes fingers in any including an intermediate position.

Общий вид предлагаемой искусственной кисти и входящих в него элементов представлен на фиг.1, 2, 3, 4, 5 и 6, при этом:A general view of the proposed artificial brush and its constituent elements is presented in figures 1, 2, 3, 4, 5 and 6, while:

- на фиг.1 изображен общий вид искусственной кисти;- figure 1 shows a General view of an artificial brush;

- на фиг.2 - вид в сечении А-А при закрытом положении пальцев;- figure 2 is a view in section aa with the closed position of the fingers;

- на фиг.3 - вид в сечении А-А при полностью раскрытом положении пальцев;- figure 3 is a view in section aa with the fully open position of the fingers;

- на фиг.4 - вид в сечении А-А при промежуточном положении пальцев с размещенным между ними предметом;- figure 4 is a view in section aa with an intermediate position of the fingers placed between the object;

- на фиг.5 - вид на выносном элементе Б при закрытом положении пальцев;- figure 5 is a view of the remote element B with the closed position of the fingers;

- на фиг.6 - вид на выносном элементе В при полностью раскрытом положении пальцев.- figure 6 is a view of the remote element B with the fully open position of the fingers.

Заявляемая искусственная кисть содержит облицовку 1, каркас 2, установленные в нем на осях вращения 3 и 4 первый палец 5 и блок II-V пальцев 6 соответственно. Последние шарнирно связаны между собой посредством двух промежуточных рычагов 7 и 8, присоединенных к ним посредством осей 9 и 10, не совпадающих с соответствующими осями вращения 3 и 4. При этом взаимодействие рычага 7 с первым пальцем 5 осуществляется через установленный на его ось вращения 3 кривошип 11. Кроме того, рычаг 8 является двухплечим и на его свободном конце 12 установлен ролик 13. Внутри каркаса на оси 14 установлен шкив 15, жестко связанный с ним кулачок 16 и пружина кручения 17, которая одним своим концом 18 закреплена на шкиве 15, другим 19 - присоединена к втулке 20, неподвижно установленной в каркасе 2. Одновременно через шкив 15 пропущена тяга 21, закрепленная на нем же. Кроме того, на оси вращения 3 первого пальца 5 установлена дополнительная пружина 22, выполненная в данном случае в виде пружины кручения, которая одним своим концом 23 упирается в установленный на каркасе 2 упор 24, а другим 25 - в установленный на оси 3 кривошип 11. Под действием этой дополнительной пружины 22 первый палец 5 и блок II-V пальцев 6 стремятся развернуться относительно каркаса 2 в направлении раскрытия, одновременно эта дополнительная пружина через систему рычагов 7 и 8 притягивает и удерживает ролик 13 в положении, поджатом к профилированной поверхности 26 кулачка 16 (фиг.2 и 5).The inventive artificial brush contains a lining 1, frame 2, mounted therein on the rotation axes 3 and 4, the first finger 5 and the block II-V of the fingers 6, respectively. The latter are pivotally interconnected by means of two intermediate levers 7 and 8 attached to them by axes 9 and 10, which do not coincide with the corresponding rotation axes 3 and 4. In this case, the interaction of the lever 7 with the first finger 5 is carried out through the crank mounted on its axis of rotation 3 11. In addition, the lever 8 is a two-arm and a roller 13 is mounted on its free end 12. Inside the frame on the axis 14 there is a pulley 15, a cam 16 rigidly connected to it, and a torsion spring 17, which is fixed at one end 18 to the pulley 15, and the other 19 - p connected to the sleeve 20, fixedly mounted in the frame 2. At the same time through the pulley 15 is passed rod 21, mounted on it. In addition, an additional spring 22 is installed on the axis of rotation 3 of the first finger 5, made in this case in the form of a torsion spring, which abuts against one stop 24 mounted on the frame 2 and the other 25 on the crank 11 mounted on the axis 3. Under the action of this additional spring 22, the first finger 5 and the block II-V of the fingers 6 tend to turn relative to the frame 2 in the opening direction, at the same time this additional spring attracts and holds the roller 13 in the position pressed to the profiled through the system of levers 7 and 8 second surface 26 of the cam 16 (Figures 2 and 5).

Заявляемая искусственная кисть является нормально закрытой, то есть при свободном состоянии тяги 21 первый палец 5 и блок II-V пальцев 6 под действием пружины кручения 17, преодолевающей действие дополнительной пружины 22, прижимаются либо друг к другу (фиг.2), либо к удерживаемому предмету 27 (фиг.4).The inventive artificial brush is normally closed, that is, in the free state of the thrust 21, the first finger 5 and the block II-V of the fingers 6 under the action of the torsion spring 17, overcoming the action of the additional spring 22, are pressed either against each other (figure 2), or held subject 27 (figure 4).

При натяжении тяги 21 шкив 15 совместно с кулачком 16 поворачивается против часовой стрелки относительно закрепленной в корпусе 2 оси 14, закручивая пружину кручения 17. Ролик 13, прокатываясь по профилированной поверхности 26 кулачка 16, освобождает через рычаги 7 и 8 первый палец 5 и блок II-V пальцев 6, которые, в свою очередь, поворачиваются относительно осей вращения 3 и 4 под действием дополнительной пружины 22. Кисть при этом раскрывается, позволяя охватить большим пальцем 5 и блоком II-V пальцев 6 необходимый предмет 27. Для фиксации предмета 27 пальцами кисти тяга 21 должна быть освобождена. После этого шкив 15 вместе с кулачком 16 под действием пружины кручения 17 поворачиваются в противоположном направлении. При этом ролик 13, прокатываясь по поверхности 26 кулачка 16, через рычаги 7 и 8 поворачивает, преодолевая усилие дополнительной пружины 22, первый палец 5 и блок II-V пальцев 6, относительно соответствующих осей вращения 3 и 4, кисть закрывается, осуществляя предварительный схват предмета 27. Сила предварительного схвата определяется результирующим воздействием противоположно действующих пружины кручения 17 и дополнительной пружины 22 и при необходимости может регулироваться за счет подбора параметров дополнительной пружины 22. С целью сокращения управляющей силы на тяге 21 предварительное усилие схвата назначают минимальным, исходя лишь из условий удержания предмета. Дальнейшее увеличение силы схвата, например, предмета 27 до необходимых значений обеспечивается путем дополнительного дожатия первого пальца 5 и блока II-V пальцев 6 другой рукой или о внешний упор. Это дожатие приводит к сближению пальцев между собой либо за счет сжатия оболочки 1 искусственной кисти, либо за счет деформации удерживаемого предмета 27. При этом ролик 13 под действием рычагов 7 и 8, одновременно преодолевающих через кривошип 11 усилие дополнительной пружины 22, отходит от профилированной поверхности 26 кулачка 16. Последний под действием пружины кручения 17 поворачивается вместе со шкивом 15 вдогон до упора в ролик 13 (фиг.4) в его новом положении. Из-за малого угла наклона профилированной поверхности 26 кулачка 16 относительно ролика 13 происходит самоторможение кисти в этом новом положении. Величина силы охвата при этом ограничиваются жесткостью и прочностью самой искусственной кисти, а также удерживаемого предмета.When pulling the rod 21, the pulley 15 together with the cam 16 rotates counterclockwise relative to the axis 14 fixed in the housing 2, twisting the torsion spring 17. The roller 13, rolling along the profiled surface 26 of the cam 16, releases the first pin 5 and block II through the levers 7 and 8 -V fingers 6, which, in turn, rotate relative to the axes of rotation 3 and 4 under the action of an additional spring 22. The brush thus opens, allowing you to cover the necessary object 27 with thumb 5 and block II-V of fingers 6. For fixing the object, 27 fingers and brush traction 21 should be released. After that, the pulley 15 together with the cam 16 under the action of the torsion spring 17 rotate in the opposite direction. In this case, the roller 13, rolling along the surface 26 of the cam 16, turns through the levers 7 and 8, overcoming the force of the additional spring 22, the first pin 5 and the block II-V of the fingers 6, relative to the corresponding rotation axes 3 and 4, the brush closes, performing a preliminary grip item 27. The force of the preliminary grip is determined by the resulting action of the opposing torsion spring 17 and the additional spring 22 and, if necessary, can be adjusted by selecting the parameters of the additional spring 22. In order to reduce the control force on the thrust 21, the preliminary gripping force is prescribed as minimal, based only on the conditions of holding the object. A further increase in the gripping force, for example, of object 27 to the required values, is provided by additional squeezing of the first finger 5 and the block II-V of fingers 6 with the other hand or against an external stop. This squeezing leads to the drawing together of the fingers either by compressing the shell 1 of the artificial brush, or by deforming the held object 27. In this case, the roller 13 under the action of levers 7 and 8, simultaneously overcoming the force of the additional spring 22 through the crank 11, moves away from the profiled surface 26 of the cam 16. The latter, under the action of the torsion spring 17, rotates together with the pulley 15 in pursuit until it stops in the roller 13 (Fig. 4) in its new position. Due to the small angle of inclination of the profiled surface 26 of the cam 16 relative to the roller 13, the brush self-brakes in this new position. The magnitude of the coverage force is limited by the stiffness and strength of the artificial brush itself, as well as the held subject.

Расфиксация и раскрытие заявляемого протеза кисти, в том числе после дожатия, осуществляется одновременно путем приложения силы натяжения к тяге 21. Эта сила включает в себя как усилие по преодолению противодействия пружины кручения 17, так и усилие по преодолению трения покоя ролика 13. Это последнее усилие превышает аналогичное усилие по раскрытию пружины - тормоза в прототипе, но лишь незначительно. Кроме того, сила трения покоя ролика 13 может регулироваться, в том числе в сторону ее уменьшения, путем подбора материалов для изготовления вышеупомянутых элементов (например, металлов с низким коэффициентом трения), использованием при необходимости смазок, а также тщательностью обработки контактирующих поверхностей элементов.The fixation and disclosure of the claimed prosthesis of the hand, including after squeezing, is carried out simultaneously by applying a tensile force to the traction 21. This force includes both the effort to overcome the reaction of the torsion spring 17, and the effort to overcome the static friction of the roller 13. This is the last effort exceeds the same spring opening force - the brakes in the prototype, but only slightly. In addition, the resting friction force of the roller 13 can be adjusted, including in the direction of its decrease, by selecting materials for the manufacture of the above-mentioned elements (for example, metals with a low coefficient of friction), using lubricants if necessary, as well as by carefully treating the contacting surfaces of the elements.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет, сохранив свойственные прототипу преимущества, среди которых главным является сравнительно небольшое усилие на единственной управляющей тяге искусственной кисти, одновременно повысить надежность и функциональность протеза за счет возможности использования более прочной и жесткой тяги, а также за счет существенного сокращения управляющего хода этой тяги.Thus, the present invention allows, while retaining the advantages characteristic of the prototype, among which the main thing is the relatively small effort on a single control rod of an artificial brush, while simultaneously improving the reliability and functionality of the prosthesis due to the possibility of using a stronger and more rigid traction, as well as by significantly reducing the control stroke this traction.

Claims

An artificial brush containing a cladding, a frame, mounted therein on the axes of the first finger and the II-V finger block, articulated between two intermediate levers, one of which is a two-arm, a spring, a pulley, a rod connected to it, a cam and a roller, characterized in that the cam is mounted on the same axis with a spring-loaded pulley and rigidly connected to it, the roller is located on the free end of the two shoulders of the lever and is pressed against the surface of the cam by means of an additional spring, which simultaneously turns the fingers of the brush into the open this position, while the cam is profiled in such a way that the resting friction force of the roller is equal to or greater than its rolling force on the cam, as a result of which, when the spring-loaded pulley and the cam rigidly connected to it are released, the latter fixes fingers in any, including intermediate position.