93420 (Протез плеча с тремя управляемыми функциями. Ортопедический аппарат на верхнюю конечность)

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ на тему:

«Протез плеча с тремя управляемыми функциями. Ортопедический аппарат на верхнюю конечность »

МИНСК, 2008

Протез плеча с тремя управляемыми функциями

Протез предназначен для больных после ампутации верхней конечности на уровне не ниже средней трети плеча. Культя плеча должна быть при этом не короче 6 см от края подмышечной впадины. Протез может быть назначен после односторонней пли двусторонней ампутации.

Конструкция состоит из следующих основных узлов: кисти 1 (рис. 1) с электромеханическим приводом и лучезапястным шарниром 2, гильзы предплечья 3, механизма активной ротации гильзы предплечья 4, механизма локтевого шарнира 5 с электромеханическим приводом, механизма пассивной ротации гильзы плеча 6, гильзы плеча 7, системы биоэлектрического управления 8 и блока питания 9.

Рис. 1. Протез плеча с биоэлектрическим управлением тремя функциями.

Кисть с электромеханическим приводом заимствована от ранее описанных конструкций протезов предплечья и плеча с электроприводами и оснащена шаровым лучезапястным шарниром с клиновым фиксатором. Гильза предплечья изготовляется из полиэтилена. В гильзе предплечья размещаются механизм ротации и двухканальный усилитель мощности системы управления с двумя переключающими устройствами. Механизм ротации гильзы предплечья заимствован от протеза предплечья с двумя управляемыми функциями.Конструкция локтевого шарнира содержит несколько устройств: привод, состоящий из редуктора 1 (рис. 2) и электродвигателя 9, механизма фиксации локтевого шарнира 2 и уравновешивающего механизма 5, компенсирующего момент силы тяжести предплечья с кистью относительно оси локтевого шарнира.

Рис. 2. Схема локтевого шарнира с электроприводом.

Редуктор состоит из четырех ступеней цилиндрических зубчатых колес Zl – Z8, причем первые две ступени ZI—Z4 содержат прямозубые, а две последние Z5—Z₈— косозубые колеса. Общее передаточное отношение составляет округленно 1: 590. Электродвигатель имеет поминальную мощность 5 Вт при номинальном напряжении 12 В. Электродвигатель связан с входной ступенью редуктора механизмом фиксации, состоящим из фрикционного диска 4 с полумуфтой и кулачковой полумуфты 11, жестко закрепленной на валу электродвигателя. Фрикционный диск 4 прижат к вкладышу 12 корпуса редуктора пружиной 3 и обеспечивает тормозной момент на входном валу редуктора при выключенном электродвигателе. Механизм фиксации работает следующим образом. При подаче на двигатель напряжения питания в соответствующей полярности кулачки 10 полумуфты 11, скользя по наклонным плоскостям полумуфты фрикционного диска 4, отжимают пружину 3 и фрикционный диск 4 от вкладыша 12 корпуса редуктора. Крутящий момент двигателя передается на редуктор через шестерню Zl, жестко закрепленную на входном валу. При отключении двигателя от источника питания пружина 3 возвращает в первоначальное положение фрикционный диск 4 и прижимает его к вкладышу 12 корпуса, проворачивая якорь двигателя, и обеспечивает этим фиксацию входного вала.

На выходном валу 6 редуктора укреплены с одного конца, но уравновешивающего механизма 5, а с другого — рычагом к шпонке 8, внутри которой установлены пружины. Рычаг с помощью винтов соединяется с гильзой предплечья или плеча в зависимости от сборки протеза и при вращении выходного обеспечивает движение гильзы предплечья с кистью относительно, локтевого шарнира, осью которого является этот выходной.

Уравновешивающий механизм выполнен в виде четырехзнака, звено 12 (рис. 3) которого жестко закреплено на выходном валу редуктора и соединено посредством шарниров и серьги 13 с рычагом 10. В качестве упругого элемента использована пружина 11 кручения. При разгибании в локтевом шарнире звено 12 поворачивается вокруг оси по движению часовой стрелки, воздействует через шарнирное соединение на серьгу 13 и через нее на рычаг 10 и заводит пружину 11.

Рис. 3. Общий вид локтевого механизма с электроприводом.

При последующем сгибании в локтевом шарнире сила заведенной пружины 11 создает относительно оси локтевого шарнира момент, компенсирующий с достаточной полнотой момент силы тяжести звена предплечье — кисть.

Кроме сгибания и разгибания в локтевом шарнире привод обеспечивает также в определенных пределах свободные колебания (качания) звена предплечье — кисть. Для перехода из режима активного сгибания и разгибания в режим свободных колебаний не­обходимо с помощью привода выполнить полное разгибание в локтевом шарнире. При этом шпонка 3, достигнув упора б, переместится внутрь шпоночного паза вала 4, сожмет пружины 2 и удержится в этом положении упором 6, разъединив таким образом выходной вал 4 редуктора и рычаг 1, соединяющий привод с гильзой предплечья. В данном случае рычаг 1 и вместе с ним звено предплечье — кисть могут свободно прокручиваться относи­тельно вала 4. В момент выхода шпонки из паза рычага пружинный ограничитель 7 сгибает протез в локтевом шарнире на угол до 30°.

Для перехода в режим активного сгибания необходимо включить электродвигатель привода так, чтобы выходной вал редуктора вращался в сторону сгибания в локтевом шарнире, В этом случае шпонка 3 соскальзывает с упора 6 и под действием пружин 2 входит в шпоночный паз рычага 1, связывая таким образом звено предплечье — кисть с валом 4 редуктора. При дальнейшей работе электродвигателя протез выполняет сгибание в локтевом шарнире. Привод может быть установлен в протезе как в гильзе плеча, так и в гильзе предплечья. При установке привода в гильзе плеча кольцо пассивной ротации 8 плеча крепится к корпусу редуктора в трех точках 5 с помощью винтов, звено предплечье — кисть по­средством проушин одевается на шейки выходного вала 9, крепится на них и на рычаге / винтами. В случае установки привода в звене предплечье — кисть рычаг 1 крепится на гильзе плеча, а к корпусу редуктора — звено предплечье — кисть. Механизм пассивной ротации плеча такой же, как в тяговых протезах. Гильза плеча изготовляется индивидуально по гипсовому слепку с культи обычным способом из слоистого пластика. Схема биоэлектрического управления позволяет осуществлять последовательное управление движениями пальцев искусственной кисти, ротацией гильзы предплечья и движениями в локтевом шарнире от биопотенциалов двух мышц культи плеча: бицепса и трицепса. Биопотенциалами бицепса осуществляется последовательное управление сгибанием пальцев кисти, сгибанием в локтевом шарнире и пронацией гильзы предплечья. Биопотенциалами трицепса управляются разгибание пальцев кисти, разгибание в лок­тевом шарнире и супинация гильзы предплечья. Система управления содержит два канала и состоит из следующих основных узлов: усилителей напряжения; стабилизатора напряжения питания; усилителей мощности, в нагрузку которых включены реле; двух переключающих устройств, имеющих также в нагрузке реле, и блока питания. Контакты всех реле скоммутированы так, что к системе управления может быть последовательно присоединен один из трех электродвигателей: Ml (рис. 4)—привод механизма кисти или М2—привод механизма локтевого шарнира, или МЗ — привод механизма ротации гильзы предплечья.

Рис. 4. Блок-схема биоэлектрического управления тремя функциями.

Работа системы управления может быть описана с помощью блок-схемы. Сигнал с управляющей мышцы, например бицепса, через электроды отведения биопотенциалов 1 подается па вход одного из каналов системы управления, например на Bx1. Если амплитуда сигнала с мышцы нарастает не очень быстро, т.е. не очень резко сокращается мышца, то после предварительного усиления по амплитуде, а затем по постоянному току соответственно в усилителе напряжения 2 и усилителе мощности 4 и при достижении определенной величины (порога) срабатывает реле Р1 в этом канале и через его контакты электродвигатель Ml подключается к источнику питания Б. Привод в этом случае выполняет сгибание пальцев искусственной кисти. Если после этого расслабить бицепс и не очень быстро сократить трицепс, то биоэлектрический сигнал с трицепса через вторую пару электродов токоотведения поступает на другой вход Вх2, т. е. на второй канал системы управления, и вызывает срабатывание реле Р2. В этом случае электродвигатель Ml присоединяется через контакты реле Р2 к источнику питания Б в противоположной полярности и кисть выполняет разгибание пальцев. Таким образом, при поочередной подаче па входы системы управления биоэлектрических сигналов с относительно медленным нарастанием амплитуды, несколько превышающей величину порога срабатывания каждого канала, можно управлять сгибанием и разгибанием пальцев искусственной кисти от двух усеченных мышц культи плеча — бицепса и трицепса.

При подаче быстрого и короткого по времени биоэлектрического сигнала достаточно большой амплитуды, например с бицепса на Bx1, этот сигнал усиливается по амплитуде в предусилителе 2, выпрямляется в активном детекторе 3 и создаст на выходе усилителя мощности импульс отрицательной полярности, который через цепь запуска, вызывает срабатывание переключающего устройства б, в нагрузку которого включено реле РЗ. Через контакты сработавшего реле РЗ электродвигатель Ml привода кисти отключается от системы управления и к ней подключается электродвигатель М2 привода механизма локтя, подобно тому как это имеет место в системе управления протезом предплечья с двумя функциями. Повторная подача переключающего сигнала с бицепса па это же переключающее устройство 6 возвращает систему управления на привод кисти M1.

Подача па вход Вх2 системы управления быстро нарастающего кратковременного сигнала с трицепса вызывает срабатывание переключающего устройства 7 и включенного в его нагрузку реле Р4. Через контакты реле Р4 в этом случае к системе управления подключается электродвигатель МЗ привода ротации предплечья. Относительно медленно нарастающими сигналами поочередно с бицепса и трицепса можно управлять движениями пронации и супинации предплечья. Повторная подача переключающего сигнала с трицепса возвращает переключающее устройство 7 и реле Р4 в исходное состояние, в результате чего к системе управления снова подключается электродвигатель M1 привода кисти.

Если необходимо перейти на управление приводом ротации, а система управления переключена на привод локтя, т. е. сработало переключающее устройство 6, то надо подать с трицепса быстро нарастающий сигнал на вход Вх2 системы управления. В этом случае срабатывает переключающее устройство 7, которое через контакты реле Р4 присоединяет к системе управления электродвигатель МЗ привода ротации кисти. Переключающий сигнал с бицепса возвращает систему управления на электродвигатель М2 привода локтя. Таким образом, быстро нарастающими по величине сигналами с управляющих мышц можно подключать к системе управления один из трех электродвигателей приводом кисти, локтевого механизма и механизма ротации гильзы предплечья по максимально простому и экономичному коду, не требующему сколько-нибудь значительной психологической нагрузки от человека.

В качестве блока питания в данном протезе может быть использована батарея аккумуляторов ЮЦНК-0,45, как и в других протезах верхних конечностей с электроприводами.

Основные характеристики протеза: масса, кг, не более 2.

Сила схвата на концах пальцев кисти, Н 20 Угол сгибания и разгибания в локтевом шарнире, град 125. Максимальный момент, развиваемый приводом локтевого механизма, Н-см 640