RU2541816C2

RU2541816C2 - Artificial forearm

Info

Publication number: RU2541816C2
Application number: RU2013127882/14A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Николаевич Буров; Владимир Александрович Большаков
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2015-02-20
Also published as: RU2013127882A

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention refers to medical equipment, namely to artificial forearms. The artificial forearm comprises an artificial hand, a bearing sleeve comprising clamping elements and a pivoted receiving sleeve. The bearing sleeve is presented in the form of splints with an elbow joint and cuffs on the forearm and shoulder; ends of the forearm splints are rigidly attached to a bearing case accommodating a pivotally mounted hand rotation shaft with its one end rigidly connected to the receiving sleeve and its other end - to a wrist flexion pivot. A dismountable shoulder piece embracing the shoulder joint pivotally connected to the shoulder cuff is inserted into the cuff. A flexible limited-swing cable drive of hand flexion and extension comprises two cases with pivotally mounted swivel blocks rigidly connected to input and output line shafts, two branches of the cable drive fixed on the swivel blocks accommodated in the flexible cases in the form of spirals wound with turn-touching with inner anti-fraction surface and coupled in pairs to each case. The shoulder piece comprises a mounted guide with a spiral groove movably connected to a driving pin rigidly fixed on a lever rigidly connected to the input shaft of the first case, which is rigidly supported on the shoulder cuff; the second case is rigidly connected to a pivot support of the hand flexion, while its output shaft is attached to the hand case. The hand is electromechanical and controls the drive by releasing effective bioelectric signals from the surface of contracted forearm muscles. Sensitive elements in the form of two pairs of surface electrodes are fixed on the shoulder cuff and electrically connected to an electronic control unit comprising two electrical circuits, series preamplifier and signal detector attached to a pulse-duration amplifier, which is connected to an electric motor of the hand drive; the electronic control unit and power supply are mounted on the shoulder piece.

EFFECT: using the invention enables making the artificial forearm more usable by enhancing the device, when the disabled person performs focused self-service actions, reducing the range of compensatory motions and the length of locomotive actions, when using the artificial forearm by implementing the active function of hand flexion and extension accompanied by hand rotation control and handgrip.

4 dwg

Description

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

Известен «Протез предплечья пластмассовый», см. «Конструкции протезно-ортопедических изделий», М., Легкая и пищевая промышленность, 1984, стр.150-151, содержащий гильзу предплечья, механизм пассивной ротации кисти и активную тяговую кисть с пружинным схватом и активным раскрытием пальцев.The well-known "Plastic forearm prosthesis", see "Designs of prosthetic and orthopedic products", M., Light and Food Industry, 1984, pp. 150-151, containing the sleeve of the forearm, the mechanism of passive rotation of the hand and an active traction brush with a spring grip and an active fingers open.

Известен также «Мышечный ротатор предплечья» по а.с.№2128483, МПК А61F 2/54, 2/72, содержащий переднее (наружное) кольцо и снабженное проточкой (пазом) заднее (внутреннее) кольцо, вкладыш и шайбу, причем переднее кольцо снабжено отверстием с возможностью вставления через него ленты-вкладыша и надето на заднее кольцо, снабженное шайбой. Отверстие выполнено с возможностью его заделывания гибкой липкой прозрачной лентой, обеспечивающей невыпадение ленты-вкладыша при ротации. Устройство позволяет выполнять активные ротационные движения кисти при ротации предплечья.Also known is “Muscular rotator of the forearm” according to AS No. 2128483, IPC A61F 2/54, 2/72, containing a front (outer) ring and a rear (inner) ring, a liner and a washer provided with a groove (groove), the front ring equipped with a hole with the possibility of insertion through it of the liner and put on the rear ring equipped with a washer. The hole is made with the possibility of sealing it with a flexible sticky transparent tape, which ensures that the liner does not fall out during rotation. The device allows you to perform active rotational movements of the hand during rotation of the forearm.

Недостатком известных устройств является то, что не решается задача активного сгибания-разгибания кисти.A disadvantage of the known devices is that the problem of active flexion-extension of the hand is not solved.

Известен также «Протез предплечья» по а.с. №1416120, МПК А61F 2/54, содержащий искусственную кисть, несущую гильзу, выполненную в виде шин, соединенных кольцом и снабженных манжеткой. В несущей гильзе размещена приемная гильза с возможностью поворота.Also known is the "Forearm prosthesis" by as No. 1416120, IPC A61F 2/54, containing an artificial brush carrying a sleeve made in the form of tires connected by a ring and provided with a cuff. The receiving sleeve is rotatable in the carrier sleeve.

Недостатком данного устройства является то, что движение поворота приемной гильзы используется для выполнения функции схвата, а активные функции ротации кисти и сгибания кисти не реализуются.The disadvantage of this device is that the rotation movement of the receiving sleeve is used to perform the gripping function, and the active functions of rotation of the hand and flexion of the hand are not implemented.

Наиболее близким по функциональной и технической сущности является выбранный авторами в качестве прототипа «Протез предплечья» по патенту A61F 2/54 №2271778, содержащий искусственную кисть, несущую гильзу с элементами крепления, размещенную в ней приемную гильзу с возможностью поворота, обеспечивающего активную ротацию кисти.The closest in functional and technical essence is the forearm prosthesis selected by the authors according to patent A61F 2/54 No. 2271778, containing an artificial brush that carries a sleeve with fastening elements, a receiving sleeve placed in it with the possibility of rotation, providing active rotation of the brush.

К недостаткам прототипа можно отнести отсутствие активной функции сгибания-разгибания кисти и сложность управления из-за необходимости последовательно выполнять переключения для использования функций подвижности.The disadvantages of the prototype include the lack of an active function of flexion-extension of the hand and the complexity of the control due to the need to consistently perform switching to use the mobility functions.

Задачей предлагаемого изобретения является создание протеза предплечья, повышающего удобство пользования протезом за счет расширения функциональных возможностей устройства при выполнении инвалидом целенаправленных действий по самообслуживанию, сокращения объема компенсаторных движений и времени выполнения двигательных операций при пользовании протезом путем реализации активной функции сгибания-разгибания кисти при одновременном управлении ротацией кисти и схватом.The objective of the invention is to provide a forearm prosthesis that improves the usability of the prosthesis by expanding the functionality of the device when the disabled person performs targeted self-care actions, reducing the amount of compensatory movements and the time it takes to perform motor operations when using the prosthesis by implementing the active function of flexion-extension of the hand while controlling rotation brush and tong.

Технический результат поставленной задачи достигается тем, что в протезе предплечья, содержащем искусственную кисть, несущую гильзу с элементами крепления и размещенную в ней с возможностью поворота приемную гильзу, предлагается несущую гильзу выполнить в виде шин с локтевым шарниром и манжетами на предплечье и плечо, причем концы шин предплечья неподвижно присоединить к опорному корпусу, в котором шарнирно установить вал ротации кисти, неподвижно соединенный одним концом с приемной гильзой, а другим - с шарниром сгибания кисти, при этом в протез ввести разъемный наплечник с возможностью охвата плечевого сустава руки, шарнирно в нижней своей части соединенный с манжетой на плечо, и гибкую тросовую неполноповоротную передачу сгибания-разгибания кисти, содержащую два корпуса с шарнирно установленными в них поворотными блоками, неподвижно соединенными с входным и выходным валами передачи, две ветви тросовой передачи, закрепленные на поворотных блоках, и размещенные в гибких оболочках в виде спиралей навитых виток к витку с внутренней антифрикционной облицовкой и соединенных попарно с каждым корпусом. При этом на наплечнике предлагается также закрепить направляющую с винтовым пазом, с которым подвижно соединить ведущий палец гибкой передачи, неподвижно закрепленный на рычаге, неподвижно соединенным с входным валом первого корпуса. Первый корпус предлагается закрепить неподвижно посредством кронштейна на манжете плеча, при этом второй корпус неподвижно соединить с кронштейном шарнира сгибания кисти, а его выходной вал присоединить к корпусу кисти. Причем кисть предлагается выполнить электромеханической с возможностью управления приводом посредством снятия полезных биоэлектрических сигналов с поверхности сокращающихся мышц предплечья, при этом чувствительные элементы в виде двух пар поверхностных электродов закрепить на манжете предплечья и электрически соединить с электронным блоком управления, содержащим две электрические цепи последовательно соединенных предварительного усилителя и прибора детектирования сигнала, присоединенные к широтно-импульсному усилителю, который соединен с электродвигателем привода кисти. При этом электронный блок управления и источник электропитания предлагается закрепить на наплечнике.The technical result of the task is achieved by the fact that in the prosthesis of the forearm, containing an artificial brush that carries the sleeve with fastening elements and placed in it with the possibility of rotation of the receiving sleeve, it is proposed to carry the supporting sleeve in the form of tires with an elbow joint and cuffs on the forearm and shoulder, and the ends forearm tires fixedly attached to the supporting body, in which the shaft of rotation of the brush is pivotally mounted motionlessly connected at one end to the receiving sleeve, and the other to the bending joint of the brush, while m, insert a detachable shoulder pad into the prosthesis with the possibility of covering the shoulder joint of the arm, articulated in its lower part with a cuff on the shoulder, and a flexible cable part-turn transmission of flexion-extension of the brush, containing two cases with pivotally mounted rotary blocks fixedly connected to the input and output transmission shafts, two cable transmission branches mounted on rotary blocks and placed in flexible shells in the form of spirals wound round to round with internal anti-friction lining and joint coupled with each body. At the same time, it is also proposed to fix the guide with a screw groove on the shoulder pad, to which the leading finger of the flexible gear is movably fixed, fixedly mounted on the lever, fixedly connected to the input shaft of the first case. The first body is proposed to be fixed motionless by means of an arm on the cuff of the shoulder, while the second body is motionlessly connected to the arm of the bending joint of the brush, and its output shaft is attached to the body of the brush. Moreover, the brush is proposed to be electromechanical with the ability to control the drive by removing useful bioelectric signals from the surface of the contracting muscles of the forearm, while the sensitive elements in the form of two pairs of surface electrodes are fixed on the cuff of the forearm and electrically connected to the electronic control unit containing two electrical circuits of the pre-amplifier connected in series and a signal detecting device connected to a pulse width amplifier d is connected to the brush drive motor. In this case, the electronic control unit and the power supply are proposed to be mounted on the shoulder pad.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструктивная схема протеза предплечья с неполноповоротной гибкой тросовой передачей, на фиг.2 представлено конструктивное исполнение механизма гибкой тросовой передачи и соединения ее с направляющей, закрепленной на наплечнике, на фиг.3 представлен вариант механизма ротации кисти и соединения выходного вала второго корпуса гибкой передачи с шарниром сгибания кисти, на фиг.4 представлена структурная схема биоэлектрического управления искусственной кистью протеза.The invention is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows a structural diagram of a prosthetic forearm with a half-turn flexible cable transmission, Fig. 2 shows a design of a flexible cable transmission mechanism and its connection with a guide mounted on a shoulder, Fig. 3 shows a rotation mechanism variant the brush and the connection of the output shaft of the second body of the flexible transmission with a hinge bending of the brush, figure 4 presents the structural diagram of the bioelectric control of the artificial brush of the prosthesis.

Протез предплечья содержит искусственную кисть 1, несущую гильзу, выполненную в виде шин 2 предплечья и 3 плеча с локтевыми шарнирами 4, соединенными с креплением в виде манжет 5 на предплечье и 6 на плечо. При этом шины предплечья соединены с опорным корпусом 7, в котором шарнирно установлен вал 8 ротации кисти, соединенный одним концом с приемной гильзой 9, а другим с шарниром 10 сгибания кисти. Протез содержит также разъемный наплечник 11, охватывающий плечевой сустав и препятствующий, тем самым, неконтролируемому его развороту. Наплечник подвижно шарнирно соединен с манжетой 6 на плечо. На наплечнике закреплена направляющая 12 в виде винтового паза, в который входит с возможностью перемещения по нему ведущий палец 13 гибкой тросовой неполноповоротной передачи 14, содержащей два корпуса 15, 16 с шарнирно установленными в них поворотными блоками 17, неподвижно соединенными с ведущим 18 и ведомым 19 валами передачи. На блоках неподвижно закреплены две ветви тросовой передачи 20 и 21, размещенные в гибких оболочках 22, выполненных в виде спиралей, навитых с натягом виток к витку, с внутренней антифрикционной облицовкой 23. Спирали 22 с облицовкой 23 попарно закреплены в первом 15 и втором 16 корпусах. При этом ведущий палец 13 гибкой передачи неподвижно закреплен на ведущем рычаге 24, соединенном неподвижно с ведущим валом 18, а первый корпус 15 посредством кронштейна 25 неподвижно соединен с манжетой 6 на плечо. При этом второй корпус 16 неподвижно соединен с кронштейном 26 шарнира 10 сгибания кисти, а его выходной ведомый вал 19 присоединен к корпусу кисти 1 посредством вилки 27, шарнирно соединенной с кронштейном 26 шарнира сгибания кисти.The forearm prosthesis contains an artificial brush 1 carrying a sleeve made in the form of tires 2 of the forearm and 3 shoulders with elbow joints 4 connected to the mount in the form of cuffs 5 on the forearm and 6 on the shoulder. In this case, the forearm tires are connected to the supporting body 7, in which the brush rotation shaft 8 is pivotally mounted, connected at one end to the receiving sleeve 9, and the other to the brush bending hinge 10. The prosthesis also includes a detachable shoulder pad 11, covering the shoulder joint and preventing, thereby, its uncontrolled turn. The shoulder pad is movably pivotally connected to the cuff 6 on the shoulder. A guide 12 is fixed on the shoulder pad in the form of a helical groove, which includes the guide pin 13 of the flexible cable part-turn gear 14, which includes two housings 15, 16 with pivotally mounted rotary blocks 17 fixedly connected to the drive 18 and driven 19 transmission shafts. Two branches of the cable transmission 20 and 21 are fixedly mounted on the blocks, placed in flexible shells 22 made in the form of spirals, wound tightly to the turn, with an internal antifriction lining 23. Spirals 22 with lining 23 are fixed in pairs in the first 15 and second 16 cases . In this case, the leading finger 13 of the flexible transmission is fixedly mounted on the driving lever 24, which is fixedly connected to the drive shaft 18, and the first housing 15 is fixedly connected to the cuff 6 on the shoulder by means of the bracket 25. In this case, the second body 16 is fixedly connected to the bracket 26 of the brush bending hinge 10, and its output driven shaft 19 is connected to the brush body 1 by means of a fork 27 pivotally connected to the bracket 26 of the brush bending hinge.

Кроме того, искусственная кисть 1 выполнена электромеханической с возможностью управления приводом посредством снятия полезных биоэлектрических сигналов с поверхности сокращающихся мышц предплечья, при этом чувствительные элементы в виде двух пар 28 поверхностных электродов закреплены на манжете 5 предплечья и электрически соединены с электронным блоком управления 29, содержащим две электрические цепи последовательно соединенных предварительного усилителя 30 и прибора 31 детектирования сигнала, присоединенные к широтно-импульсному усилителю 32, который соединен с электродвигателем 33 привода кисти. При этом электронный блок управления 29 и источник электропитания 34 закреплены на наплечнике 11.In addition, the artificial brush 1 is electromechanical with the ability to control the drive by removing useful bioelectric signals from the surface of the contracting muscles of the forearm, while the sensitive elements in the form of two pairs 28 of surface electrodes are mounted on the cuff 5 of the forearm and are electrically connected to the electronic control unit 29 containing two electrical circuits of a series-connected pre-amplifier 30 and a signal detecting device 31 connected to a pulse width ilitelyu 32 which is connected to the motor 33 driving the brush. In this case, the electronic control unit 29 and the power supply 34 are mounted on the shoulder 11.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии при работе с объектами манипулирования предплечье согнуто в локтевом суставе оператора-инвалида. При закрепощенном (неактивном) в протезе предплечья лучезапястном сочленении для выполнения манипуляций с различными объектами, например при попытке взять предмет сбоку или сверху в пределах рабочей зоны, инвалид компенсаторно использует повышенную амплитуду отведения плеча и ротации плеча. Здоровый человек при функционирующем лучезапястном сочленении использует в большей степени сгибание кисти. В предлагаемом устройстве движение ротации плеча используется в качестве управляющего сгибанием-разгибанием кисти, что сокращает объем компенсаторных движений и делает рисунок движения, близким к естественному. Инвалид, начиная компенсаторное движение ориентации кисти, естественным образом начинает управлять сгибанием кисти. При повороте предплечья относительно плеча в сторону выбранного объекта манипулирования, например при приведении предплечья, выполняется разворот элементов несущей гильзы, включая шины 3 плеча совместно с манжетой 6 на плечо относительно наплечника 11. При этом одновременно происходит и разворот кронштейна 25 совместно с первым корпусом 15 тросовой передачи и рычагом 24, а соответственно, ведущим пальцем 13. Палец 13 скользит по винтовому пазу направляющей 12, закрепленной на неподвижном наплечнике 11, разворачивая ведущий вал 18 и блок 17 тросовой передачи. Через поворотные блоки тросовая передача приводит в движение ведомый вал 19 и закрепленную на нем вилку 27 с кистью 1, выполняя сгибание кисти.The device operates as follows. In the initial state, when working with manipulation objects, the forearm is bent at the elbow joint of a disabled operator. When the wrist joint is secured (inactive) in the forearm prosthesis to perform manipulations with various objects, for example, when trying to take an object from the side or from above within the working area, the disabled person compensates for the increased amplitude of shoulder abduction and shoulder rotation. A healthy person with a functioning wrist joint uses bending of the hand to a greater extent. In the proposed device, the rotation movement of the shoulder is used as the control of flexion-extension of the hand, which reduces the amount of compensatory movements and makes the movement pattern close to natural. A disabled person, starting a compensatory movement of the orientation of the brush, naturally begins to control the flexion of the brush. When the forearm is turned relative to the shoulder towards the selected object of manipulation, for example, when bringing the forearm, the support sleeve elements are rotated, including the shoulder tires 3 together with the cuff 6 on the shoulder relative to the shoulder 11. The bracket 25 is rotated simultaneously with the first cable body 15 the transmission and the lever 24, and, accordingly, the leading finger 13. The finger 13 slides along the screw groove of the guide 12 mounted on the fixed shoulder 11, turning the drive shaft 18 and the cable block 17 th transmission. Through the rotary blocks, the cable transmission drives the driven shaft 19 and the fork 27 fixed on it with the brush 1, performing bending of the brush.

При обратном движении, отведении предплечья, в том же порядке происходит разгибание кисти.With the reverse movement, abduction of the forearm, extension of the hand occurs in the same order.

Управление схватом, закрытие пальцев искусственной кисти 1, выполняют подачей сигналов на одну из пар электродов 28 при сокращении сохраненных мышц сгибателей кисти. Далее сигнал поступает на электронный блок управления 29. При этом сигнал последовательно поступает на предварительный усилитель 30, а затем на прибор 31 детектирования, который обеспечивает также фильтрацию сигнала. Затем отфильтрованный сигнал поступает на широтно-импульсный усилитель 32, электрически соединенный с электродвигателем 33 привода электромеханической кисти 1. Для раскрытия пальцев кисти сигнал подается на вторую пару электродов при сокращении мышц разгибателей кисти и далее преобразование сигнала производится аналогичным путем по второй цепи электронного блока управления.Grip control, closing the fingers of an artificial brush 1, is performed by applying signals to one of the pairs of electrodes 28 while reducing the stored muscles of the flexors of the brush. Next, the signal is supplied to the electronic control unit 29. In this case, the signal is sequentially fed to the preamplifier 30, and then to the detection device 31, which also provides signal filtering. Then the filtered signal is fed to a pulse-width amplifier 32, electrically connected to the motor 33 of the drive of the electromechanical brush 1. To open the fingers of the brush, the signal is applied to the second pair of electrodes when the muscles of the extensors of the brush are contracted, and then the signal is converted in a similar way through the second circuit of the electronic control unit.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет без дополнительных переключений в естественном режиме использовать три степени подвижности, в том числе сгибание-разгибание кисти, ротацию кисти и схват-раскрытие пальцев.Thus, the proposed device allows without additional switching in the natural mode to use three degrees of mobility, including flexion-extension of the brush, rotation of the brush and grasp-opening of the fingers.

Положительный эффект заявляемого изобретения заключается в следующем: обеспечивается удобство инвалида при самообслуживании благодаря сокращению объема компенсаторных движений, а также благодаря возможности одновременного использования трех степеней подвижности, что, в итоге, сокращает время выполнения двигательных операций при пользовании протезом.The positive effect of the claimed invention is as follows: the convenience of a disabled person during self-care is provided due to the reduction in the volume of compensatory movements, as well as due to the possibility of the simultaneous use of three degrees of mobility, which, as a result, reduces the time it takes to perform motor operations when using the prosthesis.

Claims

A forearm prosthesis comprising an artificial brush carrying a sleeve with fastening elements and a receiving sleeve rotatably housed in it, characterized in that the supporting sleeve is made in the form of tires with an elbow joint and cuffs on the forearm and shoulder, the ends of the forearm tires being fixedly attached to the support a body in which the brush rotation shaft is pivotally mounted, fixedly connected at one end to the receiving sleeve and the other to the brush bending hinge, while a detachable shoulder pad is inserted into the prosthesis with the possibility of coverage and the shoulder joint of the arm pivotally connected in the lower part to the cuff on the shoulder, and a flexible cable part-turn transmission of flexion-extension of the brush, containing two bodies with pivotally mounted rotary blocks fixedly connected to the input and output shafts of the transmission, two branches of the cable transmission mounted on rotary blocks and placed in flexible shells in the form of spirals, wound round to round, with internal anti-friction lining and connected in pairs with each body, while on the shoulder a guide is fastened with a screw groove, to which the driving finger of the flexible transmission is movably connected, fixedly mounted on a lever fixedly connected to the input shaft of the first body, which is fixedly fixed by an arm on the cuff of the shoulder, while the second body is motionlessly connected to the bracket of the brush flexion hinge, and its output shaft is attached to the brush body, and the brush is made electromechanical with the ability to control the drive by removing useful bioelectric signals from the surface with rotating muscles of the forearm, while the sensitive elements in the form of two pairs of surface electrodes are mounted on the cuff of the forearm and are electrically connected to the electronic control unit containing two electrical circuits of the pre-amplifier and the signal detection device connected in series to the pulse-width amplifier, which is connected to the electric motor drive brush, with the electronic control unit and power source mounted on the shoulder pad.