ОРТОПЕДИЧЕСКИЙ АППАРАТ ДЛЯ РАЗГРУЗКИ НИЖНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ ЧЕЛОВЕКА

Изобретение относится к области медицины, а именно к протезостроению и ортопедии.

Известно ортопедическое устройство ("Walking assistance device" патент U.S. №2010/012/233, МПК A61H 1/02, опубликованный 13.05.2010), предназначенное для разгрузки мышц нижних конечностей человека. Вспомогательное устройство движения включает в себя: седло; верхние и нижние стойки; шарниры, расположенные относительно верхней части стойки бедра, коленных и голеностопных суставов; механизмы для передачи вращения от верхнего шарнира стойки бедра к коленным шарнирам; электроприводы со следящей системой контроля. Верхние и нижние стойки соединены между собой при помощи коленного шарнира. Система управления вспомогательного устройства движения человека содержит аккумулятор, датчики давления, микроконтроллер и электродвигатели. Управление движением устройства осуществляется пользователем с помощью датчиков давления, расположенных на ботинках. Электрический сигнал с датчиков давления поступает в микроконтроллер, который формирует сигнал управления вращением выходного вала электродвигателей.

Однако данное устройство имеет следующий существенный недостаток: отсутствие устройства, осуществляющего соединение/отсоединение выходного вала электродвигателя с механизмом передачи вращения к коленному шарниру, что может привести к заклиниванию коленного шарнира при отключении электропитания вспомогательного устройства. Также недостатком устройства является отсутствие датчиков обратной связи, измеряющих угол и момент поворота выходного вала электродвигателя, что исключает возможность регулирования точности отклонения верхних и нижних стоек в процессе эксплуатации вспомогательного устройства движения человека.

Известно ортопедическое вспомогательное средство с фиксирующим устройством (патент на изобретение РФ №2329012, МПК A61F 2/68, A61F 2/64, опубликованный 20.07.2008), предназначенное для фиксации подвижных частей коленного шарнира. Средство содержит две подвижные по отношению друг к другу части, фиксирующее устройство для блокировки обеих частей в заданном относительном положении и для разблокировки для обеспечения их движения по отношению друг к другу. Фиксирующее устройство выполнено с возможностью электромеханического срабатывания от блока управления. Сигнал срабатывания беспроводным путем передается исполнительным блоком на блок управления. Блок управления содержит аккумулятор, кнопку для разблокирования шарнира, выключатель, контрольную лампочку, управляющую схему, два звуковых генератора и вибратор. Батарейка соединена выключателем с зарядным гнездом и кнопкой для разблокирования шарнира. При нажатии кнопки включается звуковой генератор, который передает звуковой сигнал о разблокировании. При включенном главном выключателе контрольная лампочка указывает состояние заряженности батарейки. Посредством кнопки в катушку подается ток, в результате происходит разблокирование. Если датчик шарнира определит, что фиксирующий штифт занял фиксированное положение, то выходной сигнал с датчика передается в блок управления и вызывает в нем через управляющую схему характеристические сигналы, а именно загорание контрольной лампочки, срабатывание вибратора и звукового генератора.

Недостатком ортопедического вспомогательного средства с фиксирующим устройством является отсутствие регулирования времени срабатывания фиксирующего устройства, а также импульсное отключение фиксатора в случае значительного снижения уровня заряда батареи, что может привести к неисправности средства.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является ортопедический аппарат для разгрузки нижних конечностей человека (патент на полезную модель РФ №113653, кл. A61F 5/04, опубликованный 27.02.2012) - принят за прототип. Он предназначен для разгрузки тазобедренного и коленного суставов, безоперационного лечения сломанных костей, а также для усиления мышечной силы нижних конечностей человека.

Ортопедический аппарат для разгрузки нижних конечностей человека включает в себя шарнирно соединенные верхнюю, среднюю и нижнюю части. Верхняя часть состоит из радиусной направляющей с передним упором, к которой закреплено седло и через перемычку тазобедренный шарнир, соединенный с электродвигателем. Средняя часть содержит внутреннюю стойку, которая вверху соединена подвижно с радиусной направляющей, а внизу - с коленным шарниром внутренней его частью. Наружная стойка средней части соединена вверху с тазобедренным шарниром. При этом тазобедренные и коленные шарниры подвижно соединены друг с другом механизмом передачи движения. Нижняя часть состоит из U-образной стойки, снабженной V-образной манжетой для вытяжения. Также U-образная стойка соединена со средней частью коленным шарниром. При этом на U-образной стойке размещена площадка, на которой установлены контактные выключатели системы управления, которая также содержит датчики отклонения наружной стойки от вертикального положения и микроконтроллер. Элементы системы управления электрически соединены с электродвигателем.

Недостатком данного устройства является отсутствие механизма, соединяющего/отсоединяющего тазобедренный шарнир аппарата и механизм передачи движения от выходного вала электродвигателя, что может привести к травмоопасности пациента при заклинивания выходного вала электродвигателя в случае отключения его электрического питания. Также существенным недостатком аппарата является низкая точность сигнала, поступающего на вход электродвигателя, что создает угрозу нестабильности перемещения человека с аппаратом.

Задача настоящего изобретения заключается в разгрузке тазобедренного и коленного суставов человека и в усилении мышечной силы нижних конечностей человека с одновременным обеспечением безопасности эксплуатации аппарата человеком и заданной точности угла и момента вращения выходного вала электродвигателя, а также деформации механизма передачи движения к коленному шарниру.

Поставленная задача достигается тем, что в ортопедический аппарат для разгрузки нижних конечностей человека, содержащий верхнюю, среднюю и нижнюю части, при этом верхняя часть состоит из радиусной направляющей с передним упором, к которой закреплено седло и через перемычку тазобедренный шарнир, соединенный с электродвигателем, при этом средняя часть содержит внутреннюю стойку, которая вверху соединена подвижно с радиусной направляющей, а внизу - с коленным шарниром внутренней его частью, наружная стойка средней части соединена вверху с тазобедренным шарниром, при этом тазобедренные и коленные шарниры подвижно соединены друг с другом механизмом передачи движения, нижняя часть состоит из U-образной стойки, снабженной V-образной манжетой для вытяжения, также U-образная стойка соединена со средней частью коленным шарниром, при этом на U-образной стойке размещена площадка, на которой установлены контактные выключатели системы управления электродвигателем, также содержащей датчики отклонения наружной стойки от вертикального положения и микроконтроллер, и соединена с электродвигателем, согласно предлагаемому решению дополнительно входят электромагнитная муфта, установленная на выходном валу электродвигателя и соединяющая электродвигатель с механизмом передачи движения ортопедического аппарата, электрически соединенная с датчиком заряда аккумулятора через широтно-импульсный модулятор и электронный ключ, а также нейросетевой преобразователь информации, электрически соединенный с контактными выключателями, электродвигателем и датчиками обратной связи, измеряющими угол и момент вращения выходного вала электродвигателя, а также деформацию механизма передачи движения.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами: на Фиг. 1 представлен общий вид (вид слева) ортопедического аппарата для разгрузки нижних конечностей человека, на Фиг. 2 представлен общий вид (вид спереди) ортопедического аппарата для разгрузки нижних конечностей человека, на Фиг. 3 представлен разрез А-А общего вида на фиг 1 ортопедического аппарата для разгрузки нижних конечностей человека, на Фиг. 4 представлена структурная схема управления движением ортопедического аппарата для разгрузки нижних конечностей человека, на Фиг. 5 представлена функциональная схема блока управления ортопедического аппарата для разгрузки нижних конечностей человека.

Ортопедический аппарат для разгрузки нижних конечностей человека включает: верхнюю часть 1, среднюю часть 2 и нижнюю часть 3; тазобедренный шарнир 4 и коленный шарнир 5; электродвигатель 6, механизм передачи движения от электродвигателя 6 к U-образной стойке 7, представленный в виде кривошипно-шатунного механизма, содержащего: кривошипы 8 и 9, шатун 10; аккумулятор 32; систему управления (отдельной позицией не показанную); верхний корпус 15; нижний корпус 16; манжеты крепления устройства к телу пользователя: фиксирующая манжета бедра 17, фиксирующая манжета голени 18, V-образная манжета 19; электромагнитную муфту 30.

Верхняя часть 1 включает в себя: радиусную направляющую 20 с радиусным упором 21; седло 22; тазобедренный шарнир 4; тазобедренную перемычку 23.

Средняя часть 2 содержит: внутреннюю 24 и наружную стойки 11, коленный шарнир 5; перемычку бедра 25.

Нижняя часть 3 состоит из U-образной стойки 7; V-образной манжеты 19; перемычки голени 26.

Радиусная направляющая 20 соединена с тазобедренным шарниром 4 через тазобедренную перемычку 25. Седло 22 закреплено на радиусной направляющей 20.

Наружная стойка 11 вверху соединена подвижно с радиусной направляющей 20, а внизу - с коленным шарниром 5 внутренней его частью. Наружная стойка 11 соединена вверху с тазобедренным шарниром 4, а внизу с коленным шарниром 5, наружной его частью. Между собой стойки соединены перемычкой бедра 25.

U-образная стойка 7 соединена со средней частью 2 коленным шарниром 5. Наружная и внутренняя части U-образной стойки 7 соединены перемычкой голени 26.

Электродвигатель 6 закреплен через фланец крепления 27 на наружной стойке 11 в области тазобедренного шарнира 4 и электрически соединен с блоком управления 34. Электродвигатель 6 прикладывает вспомогательный момент вращения относительно оси 28 тазобедренного шарнира 4 и наружной стойки 11 через электромагнитную муфту 31.

Для осуществления подъема наружной стойки 11 относительно корпуса пользователя введен тазобедренный шарнир 4, соединяющий седло 22 с тазобедренной перемычкой 23 относительно оси 28 тазобедренного шарнира 4. Тазобедренный шарнир 4 содержит кронштейн 23, закрепленный на оси 28, и диск 29, закрепленный на электромагнитной муфте 31, установленной на оси 28.

Отклонение голени пользователя от начального положения под воздействием момента вращения электродвигателя 6 осуществляется через механизм передачи движения, содержащий кривошип 8, закрепленный на оси 28 тазобедренного шарнира 4, кривошип 9, закрепленный на оси 30 коленного шарнира 5, шатун 10. Кривошип 8 установлен в верхнем корпусе 15, который закреплен внутри наружной стойки 11. Кривошип 9 установлен в корпусе 16, который закреплен внутри наружной стойки 11 и в верхней части U-образной стойки 7. Механизм передачи движения от электродвигателя 6 к U-образной стойке 7 может быть выполнен в виде зубчатой ременной передачи или в виде тросовой передачи.

В нижней части U-образной стойки 7 под стопой пользователя расположена площадка 14 с двумя контактными выключателями 12, 13. Контактные выключатели 12, 13, расположенные на площадке 14, предназначены для управления электродвигателем 6 и электрически соединены с блоком управления 34. Положение площадки 14 по высоте регулируется с помощью винтов. Угловое положение наружной стойки 11 предопределяется датчиками положения по углу с возможностью регулирования угла положения датчиков.

Система управления электродвигателем 6 включает: блок управления 34; датчик положения по углу 34; датчик 35, предназначенный для измерения момента вращения выходного вала электродвигателя 6; датчик 37 для измерения величины деформации шатуна 10; датчик 33 заряда аккумулятора 32.

Питание электромагнитной муфты 31 и электродвигателя 6 осуществляется аккумулятором 32 через блок управления 34, которой содержит делители напряжения 38-41, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 42, нейросетевой преобразователь информации 43, цифроаналоговый преобразователь (ЦЛП) 44, широтно-импульсный модулятор 45, электронный ключ 46.

Нейросетевой преобразователь информации 43 предназначен для формирования управляющего сигнала, который поступает на вход электродвигателя 6 через ЦАП 44, и электрически соединен с датчиками 35-37 через АЦП 42 и делители напряжения 39, 40.

Датчики 35 и 36 измерения угла отклонения наружной стойки 11 и момента вращения выходного вала электродвигателя 6 установлены на выходном валу электродвигателя 6 и преобразует значения угла и момента поворота выходного вала электродвигателя 6 в электрические сигналы, поступающие на вход нейросетевого преобразователя информации 43. Формирование электрического сигнала, характеризующего величину деформации шатуна 10 в процессе эксплуатации аппарата, осуществляется датчиком обратной связи 37, который электрически соединен с блоком управления 34.

Нейросетевой преобразователь информации 43 через АЦП 42 и делитель напряжения 38 электрически соединен с контактными переключателями 12, 13, расположенными на контактной площадке 14. Контактные переключатели 12, 13 формируют управляющий сигнал, поступающий на вход ЛЦП 42 пропорционально изменению момента, создаваемого электродвигателем 6, и усилию, прикладываемому пользователем ортопедического аппарата к контактным переключателям 12, 13.

Согласование значений электрических сигналов, формируемых датчиками 35-37 и контактными переключателями 12, 13, относительно диапазона входных значений нейросетевого преобразователя информации 43 осуществляется делителями напряжения 38-40.

В памяти нейросетевого преобразователя информации 43 содержатся заданные значения электрических сигналов, характеризующие угол поворота выходного вала электродвигателя 6 и деформации исполнительного механизма протезируемой системы 10.

Изменение скорости нарастания тока на входе электромагнитной муфты 31 достигается применением в блоке управления 34 широтно-импульсного модулятора 45 и электронного ключа 46, что позволяет обеспечить плавное соединение/отсоединение выходного вала электродвигателя 6 от исполнительного механизма 10 ортопедического аппарата. Широтно-импульсный модулятор 45 формирует импульсный сигнал различной длительности по времени, который поступает на вход электронного ключа 46, электрически соединенного с электромагнитной муфтой 31.

Датчик заряда аккумулятора 33 электрически соединен с аккумулятором 32 и формирует электрический сигнал, пропорциональный понижению уровня заряда аккумулятора 32, который поступает на вход ШИМ 45 через АЦП 42 и делитель напряжения 41.

Коррекция соосности тазобедренного и коленного шарниров относительно тазобедренного и коленного суставов человека осуществляется изменением высоты крепления верхнего корпуса 16 к наружной стойке 12, высоты крепления нижнего корпуса 17 к наружной стойке 12 и U-образной стойке 8, изменением высоты крепления радиусной направляющей 21 и U-образной стойки 8 к внутренней стойке 25.

Ортопедический аппарат крепится к телу пользователя с помощью фиксирующей манжеты бедра 18, фиксирующей манжеты голени 19, V-образной манжеты 20.

Устройство управления протезируемой системы работает следующим образом.

Пользователь располагается на седле 22 устройства и стопой над площадкой 14 и закрепляет устройство на своем теле с помощью фиксирующей манжеты бедра 17, фиксирующей манжеты голени 18, V-образной манжеты 19. Включает электродвигатель 6 физическим воздействием на контактный переключатель 12, который формирует электрический сигнал, соответствующий заданному значению момента вращения выходного вала электродвигателя.

Сигнал с переключателя поступает на делитель напряжения 38, который понижает его уровень в соответствии с требуемым значением входного сигнала АЦП 42. Далее, сигнал с АЦП 42 поступает в нейросетевой преобразователь информации 43, формирующий сигнал управления вращением выходного вала электродвигателя 6. Момент вращения, создаваемый электродвигателем 6, передается шатуну 10 через кривошип 27 и электромагнитную муфту 31, а также кронштейну 23 через диск 29.

Таким образом, формируется вспомогательный момент вращения, прикладываемый к оси 28 тазобедренного шарнира 4 аппарата и наружной стойке 11, осуществляя подъем бедра пользователя. Одновременно с подъемом бедра пользователя осуществляется отклонение его голени от начального вертикального положения в результате прикладываемого момента вращения электродвигателя 6 к U-образной стойке 7, с помощью механизма передачи движения, в качестве которого может быть использован кривошипно-шатунный механизм. Электродвигатель 6 передает момент вращения на кривошип 8, с которого момент вращения передается на кривошип 10 и ось 30 коленного шарнира 5 через шатун 10. Кривошипы 8 и 9 вращаются внутри корпусов 15 и 16 соответственно.

Датчики обратной связи 35, 36 преобразуют момент и угол поворота выходного вала электродвигателя 6 в электрический сигнал, поступающий на вход нейросетевого преобразователя информации 43 через АЦП 42 и делители напряжения 39, 40. Также на вход нейросетевого преобразователя информации 43 поступает электрический сигнал, пропорциональный значениям деформации шатуна 10, формируемый датчиком 37.

Нейросетевой преобразователь информации 43 вычисляет значение регулирующего сигнала, который минимизирует отклонение значений момента и угла вращения выходного вала электродвигателя 6, деформации шатуна 10, поступающие на датчики обратной связи 35-37, от их заданных значений.

Одновременно с включением электродвигателя 6 сигнал с аккумулятора 32 поступает на датчик измерения заряда аккумулятора 33, с которого он передается на электромагнитную муфту 31 через электронный ключ 46, ШИМ 45, АЦП 42 и делитель напряжения 41.

Напряжение питания электромагнитной муфты 31 создает магнитное поле между ее феромагнитными элементами, что образует неподвижное соединение выходного вала электродвигателя 7 относительно шатуна 10 и оси 28 тазобедренного шарнира 5. При этом ток на входе электромагнитной муфты 31 плавно возрастает за счет изменения периода импульсного сигнала, формируемого ШИМ 45, что приводит к включению и отключения электронного ключа 46 с частотой, равной времени длительности импульсов, и изменению характеристики входного тока электромагнитной муфты 31.

В процессе эксплуатации протезируемой системы датчик 33 контролирует значение заряда аккумулятора 32 и отключает его от электромагнитной муфты 31 и электродвигателя 6 при минимально допустимом уровне заряда. Отключение электромагнитной муфты 31 приводит к плавному уменьшению тока возбуждения ее обмотки под воздействием сигналов, формируемых ШИМ 45 и электронным ключом 46.

Реверс и остановка вращения выходного вала электродвигателя 6 осуществляется изменением давления пользователя на переключатели 12, 13. При этом электродвигатель 6 прикладывает обратный момент вращения к оси 28 тазобедренного шарнира 4 устройства, наружной стойкие 11 и к U-образной стойке 7, осуществляя подъем корпуса пользователя и возвращая бедро и голень в начальное положение.

Благодаря использованию в ортопедическом аппарате для разгрузки нижних конечностей человека электромагнитной муфты 31, управляемой электронным ключом 46, ШИМ 45 и датчиком заряда аккумулятора 33, осуществляется плавное соединение/отсоединение выходного вала электродвигателя 5 от исполнительного механизма 6 системы при отключении ее электропитания. Применение в системе управления ортопедического аппарата датчиков 35-37 для измерения угла отклонения наружной стойки 11, момента вращения выходного вала электродвигателя 6, деформации шатуна 10, а также использование нейросетевого преобразователя информации 43 позволяет обеспечить заранее заданную точность значений кинематических и динамических переменных движения ортопедического аппарата.