шарнирное сочленение

Формула изобретения

Шарнирное сочленение, содержащее каркас в виде верхнего и нижнего рычагов с элементами крепления, связанных шарнирным узлом, состоящим из муфты свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения, механизма фиксации обоймы муфты свободного хода, отличающееся тем, что наружная поверхность обоймы выполнена с зубьями, а механизм фиксации обоймы муфты свободного хода содержит рычаг, шарнирно соединенный с нижним рычагом, с платформой на одной конце и собачкой на другом, пружину, зубчатое колесо с зубьями эвольвентного профиля вращения и дорожкой с углублениями такого же профиля, расположенной вдоль рычага с возможностью продольного перемещения этого колеса вдоль этой дорожки, рычаг, шарнирно связанный с осью зубчатого колеса одним концом, другой конец которого содержит опорную платформу, а ось зубчатого колеса соединена пружиной с нижним рычагом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к травматологии и ортопедии.

Известны муфты (механизмы) свободного хода, содержащие обойму и ступицу, между которыми расположены цилиндрические ролики, на которые воздействуют пружины. При перемещении обоймы относительно ступицы в сторону действия пружин цилиндрические ролики заклиниваются между обоймой и ступицей, чем обеспечивается передача вращательного момента между этими деталями. При относительном вращении в противоположном направлении обоймы относительно ступицы происходит расклинивание роликов и передача момента прекращается [1] .

Совпадающими с предлагаемым устройством признаками являются муфта свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения.

Данные механизмы не обеспечивают свободное угловое вращение обоймы относительно ступицы при отсутствии нагрузки на них, чем сужается область их применения.

Известно также устройство для шагового перемещения, содержащее каркас с элементами крепления к туловищу, шарнирно связанные с каркасом две пары рычагов, каждая из которых состоит из соединенных между собой посредством шарнирных узлов тазобедренного и голеностопного рычагов с элементами крепления к ногам, и шарнирно связанные со свободными концами голеностопных рычагов опорные платформы для обуви. Каждый из шарнирных узлов, соединяющих рычаги, снабжен механизмом фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением в виде сегмента с наклонными зубьями и взаимодействующей с ними собачкой и средством управления собачкой [2].

Совпадающими с предлагаемым устройством признаками являются каркас с элементами крепления, шарнирно связанные с каркасом пары рычагов, каждая из которых состоит из соединенных между собой посредством шарнирных узлов верхнего и нижнего рычагов с элементами крепления к конечности и шарнирно связанные со свободными концами нижних рычагов опорные платформы. Шарнирные узлы, соединяющие рычаги, снабжены механизмом фиксации шарнирного узла со средствами управления им.

Устройство обеспечивает поддержание и передвижение пользователя, но не обладает достаточным удобством применения, так как механизм фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением излишне усложнен и имеет недостаточное количество зон фиксации. Кроме того, он не обеспечивает принудительное разблокирование шарнирного узла без снятия с него нагрузки.

Наиболее близким аналогом является искусственный коленный сустав, содержащий каркас в виде верхнего и нижнего рычагов, с элементами крепления к конечности, связанные шарнирным узлом, состоящим из муфты свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения, расположенной на поворотном пальце, шарнирный узел включает в себя механизм фиксации кольцевого зажима, расположенный вокруг обоймы муфты свободного хода, состоящий из двухэлементной разгибающейся детали, в состав которой входят поворотный корпус, соединенный с верхним рычагом и одним концом кольцевого зажима, а также рычаг, поворотный в направлении указанного конца зажима и соединенный с другим концом зажима, указанный рычаг является регулированным (по углу) относительно корпуса, поворотный палец, соединяющий двухэлементную разгибающуюся деталь с верхним рычагом, является эксцентричным и подвижным [3].

Общими с предлагаемым техническим решением признаками являются каркас в виде верхнего и нижнего рычагов, с элементами крепления, связанных шарнирным узлом, состоящим из муфты свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения, механизмами фиксации обоймы муфты свободного хода.

Устройство применяется в протезировании, но механизм фиксации кольцевого зажима не обеспечивает регулирование мышечного усилия за счет элементов конструкции, что сужает область применения.

В основу изобретения поставлена задача создать такое устройство, в котором новое конструктивное выполнение элементов механизма фиксации обоймы муфты свободного хода шарнирного узла, а также введение дополнительных элементов обеспечивает возможность принудительного разблокирования шарнирного узла при обратном движении конечности и динамическое изменение длины нижнего рычага при изменении мышечного усилия изгиба конечности, что расширяет функциональные возможности устройства и область его применения, а именно позволяет применять устройства в кистевых экзоскелетонах для удержания предметов при незначительном мышечном усилии.

Поставленная задача решается устройством, содержащим каркас в виде верхнего и нижнего рычагов с элементами крепления, связанных шарнирным узлом, состоящим из муфты свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения, механизма фиксации обоймы муфты свободного хода, при этом наружная поверхность обоймы выполнена с зубьями, а механизм фиксации обоймы муфты свободного хода содержит рычаг, шарнирно соединенный с нижним рычагом, с платформой на одном конце и собачкой на другом, пружину, зубчатое колесо с зубьями эвольвентного профиля вращения и дорожкой с углублениями такого же профиля, распложенной вдоль рычага с возможностью продольного перемещения этого колеса вдоль этой дорожки, рычаг, шарнирно связанный с осью зубчатого колеса одним концом, другой конец которого содержит опорную платформу, а ось зубчатого колеса соединена пружиной с нижним рычагом.

Отличительными признаками предлагаемого устройства является то, что наружная поверхность обоймы выполнена с зубьями и дополнительно вводятся рычаг, шарнирно соединенный с нижним рычагом, с платформой на одном конце и собачкой на другом, пружины, зубчатое колесо с зубьями эвольвентного профиля вращения и дорожкой, с углублениями такого же профиля, расположенной вдоль рычага с возможностью продольного перемещения этого колеса вдоль такой дорожки, рычаг, шарнирно связанный с осью зубчатого колеса одним концом, другой конец которого содержит опорную платформу, а ось зубчатого колеса соединена пружиной с нижним рычагом.

Совокупность вышеперечисленных признаков предлагаемого устройства позволяет получить результат, заключающийся в том, что обеспечивается возможность принудительного разблокирования шарнирного узла при обратном движении конечности и динамически изменяется длина нижнего рычага при изменении мышечного усилия изгиба конечности, что расширяет функциональные возможности устройства и область его применения, а именно позволяет применять устройство в кистевых экзоскелетонах для удержания предметов при незначительном мышечном усилии.

На фиг. 1 изображена кинематическая схема устройства в двухзвенном соединении его рычагов; на фиг. 2 - то же, в многозвенном соединении рычагов.

Устройство (фиг. 1, 2) содержит каркас в виде верхнего 1 и нижнего 2 рычагов, с элементами крепления, связанных шарнирным узлом, состоящим из муфты свободного хода, включающей обойму 3 с зубьями на наружной поверхности и ступицу 4, между которыми расположены цилиндрические ролики 5, механизм фиксации обоймы муфты свободного хода, содержащий рычаг 6, соединенный шарниром 7 с нижним рычагом, один конец рычага 6 выполнен в виде платформы 8, а другой шарнирно соединен с собачкой 9, имеющей форму зуба, пружину 10, зубчатое колесо 11 с зубьями эвольвентного профиля вращения и дорожкой 12 с углублениями такого же профиля, расположенной вдоль нижнего рычага с возможностью поперечного перемещения этого колеса вдоль этой дорожки, рычаг 13, шарнирно связанный с осью зубчатого колеса одним концом, другой конец которого содержит опорную платформу 14, пружину 15.

Работа устройства следующая. Конечность пользователя, например фаланга пальца, закрепляется в экзоскелетоне с помощью элементов крепления. В данном случае элементами крепления являются внутренние поверхности конструкции экзоскелетона. Для предотвращения травматизма и с целью создания комфортности конечность предварительно может одеваться в защитный тканевый футляр (перчатку). При этом опорная часть конечности располагается над опорной платформой 14, а между неопорной частью конечности и платформой 8 имеется небольшой зазор. Верхний 1 и нижний 2 рычаги выполняются по форме конечности и могут быть цилиндрическими (для фаланг пальцев). При этом, если шарнирный узел располагается на суставе конечной (ногтевой) части фаланги, то нижний рычаг 2 выполняется цилиндрическим с основанием в виде защитного колпачка, если же он расположен на уровне любого другого сустава, то он выполняется цилиндрическим (в виде трубы) и является верхним рычагом следующего шарнирного узла. Конечность вставляется вовнутрь рычагов 1, 2.

Таким образом, в статике экзоскелетон с использованием приведенных шарнирно сочленений первоначально выполняет только защитную функцию для конечности.

Работа устройства в динамике отличается тем, что при сгибании конечности мышечное усилие передается опорной платформе 14, которая через рычаг 13 перемещает зубчатое колесо 11 вдоль дорожки 12. При этом, чем больше усилие, тем дальше перемещается колесо и соответственно платформа 14 удаляется от оси ступицы 4, удлиняя тем самым рычаг 2. В результате создается эффект увеличения длины рычага 2 за счет смещения вдоль него точки приложения силы. Если сгибательному движению конечности не оказывается внешнего сопротивления, например, при сжимании фалангов пальцев в кулак, то зубчатое колесо 11 может и не перемещаться вдоль дорожки 12, т.к. усилие мышц не превышает усилия сжатия пружины 15. В данном случае происходит наиболее быстрое сгибание конечности в шарнирном узле. Если же такое сопротивление оказывается, например, при удержании какого-либо предмета, то требуемое усилие на удержания этого предмета может быть значительным. В таком случае появляется возможность не только экономить мышечное усилие (за счет смещения вдоль рычага 2 точки приложения силы), но и аккумулировать его. Последнее возможно за счет того, что при прекращении мышечного усилия, направленного в сторону взаимного сгибания фаланг конечности и при наличии сил, способствующих разгибанию рычагов 1, 2, их обратное (разгибательное) движение блокируется в связи с тем, что механизм фиксации шарнирного узла обладает свойствами муфт свободного хода. Это блокирование вращательного движения происходит потому, что под действием усилия пружины 10 собачка находится в зацеплении с зубьями обоймы 3, а значит, обойма совершает незначительное вращательное движение в противоположном изгибу направлении. В результате происходит незначительное угловое перемещение обоймы 3 относительно ступицы 4 и ролики 5 под действием сил трения и пружин (либо формы выступов на ступице) также перемещаются и заклинивают ступицу 4 в обойме 3. Таким образом, создается жесткая опорная конструкция из верхнего 1 и нижнего 2 рычагов, которая даже при расслабленных мышцах конечности способна удерживать захваченные предметы. Для разблокирования подвижности шарнирного узла расправляется конечность в экзоскелетоне и ею производятся перемещение в обратном направлении платформы 8. При этом совершает угловое перемещение рычаг 6 относительно шарнира 7 и собачка 9, перемещаясь в пазе, выходит из зацепления с зубьями обоймы 3. В результате односторонняя неподвижность обоймы 3 разблокируется и шарнирный узел свободно расправляется. Заклинивание механизма фиксации шарнирного узла не происходит, так как ступица 4, жестко скрепленная с верхним рычагом 1, поворачивается относительно обоймы 3 и ролики 5 перемещаются в сторону их расклинивания.

От случайного разблокирования односторонней фиксации подвижности шарнирного узла со стороны внешней силы защищает корпус рычагов 1, 2, закрывающий платформы 8, 14.

Для обеспечения жесткого зацепления обоймы с корпусом рычага 2 используется зубчатое зацепление. При этом зубья расположены на наружной цилиндрической поверхности обоймы 3, а собачка 9 также выполнена в виде зуба аналогичной формы. Такое жесткое зубчатое зацепление необходимо для экзоскелетонов, предназначенных для мгновенного освобождения удерживаемых предметов. При необходимости постепенного освобождения удерживаемого предмета применяют фрикционное зацепление обоймы 3 с собачкой 9.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает возможность принудительного разблокирования шарнирного узла при обратном движении конечности и динамическое изменение длины нижнего рычага при изменении мышечного усилия изгиба конечности, что расширяет функциональные возможности устройства и область его применения, а именно позволяет применять устройство в кистевых экзоскелетонах для удержания предметов при незначительном мышечном усилии.