искусственный коленный сустав с регулированием сил подтормаживания раздельно при сгибании и разгибании

Формула изобретения

1. Искусственный коленный сустав, содержащий 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, отличающийся тем, что 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, при этом между головкой винта и втулкой размещен упругий элемент, охватывающий винт, а узел смазывания охватывает втулки и контактирует с наружными поверхностями муфт.

2. Сустав по п.1, отличающийся тем, что упругий элемент выполнен в виде набора тарельчатых пружин.

3. Сустав по п.1, отличающийся тем, что резьбовые отверстия под винты выполнены в бедренной части.

4. Сустав по п.1, отличающийся тем, что узел смазывания содержит маслосодержащий элемент в кожухе и фитили в форме шайб, установленные на муфтах.

5. Сустав по п.1, отличающийся тем, что прорезь втулки выполнена под углом к ее продольной оси.

6. Сустав по любому из пп. 1-5, отличающийся 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.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к искусственным коленным суставам, и может быть использовано при протезировании нижних конечностей.

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).

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).

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

Сустав может характеризоваться и тем, что узел смазывания имеет маслосодержащий элемент в кожухе и фитили в форме шайб, установленные на муфтах.

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.

Существо изобретения поясняется на фигурах, где:

на фиг.1 изображена конструкция ИКС с подтормаживающим механизмом;

на фиг.2 - то же, что на фиг. 1, разрез по А-А;

на фиг.3 - механизм подтормаживания в разобранном состоянии;

на фиг.4 - разрезная втулка;

на фиг.5 - то же, что на фиг. 4, вид со стороны прорези.

Принципы изобретения раскрываются на нижеприведенном примере четырехосного ИКС и могут быть применены как в моно-, так и в полицентрических ИКС различных модификаций.

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.

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.

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.

Втулка 26 имеет прорезь 42, расположенную под углом 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 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.

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.

Механизм работает следующим образом.

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.

Для уменьшения износа и обеспечения плавной работы механизма трущиеся поверхности смазываются фитилями-шайбами 46 из маслосодержащего элемента 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.