RU2744605C2

RU2744605C2 - Multifunctional active shoulder prosthesis

Info

Publication number: RU2744605C2
Application number: RU2019124139A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Николаевич Буров; Владимир Александрович Большаков; Олег Леонидович Белянин
Priority date: 2019-07-24
Filing date: 2019-07-24
Publication date: 2021-03-11
Also published as: RU2019124139A; RU2019124139A3

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention relates to medicine. Multifunctional active shoulder prosthesis comprises an artificial hand with an electromechanical drive and a wrist mechanism, a forearm rotation mechanism with an electromechanical drive, sleeves and forearm sleeves, an elbow hinge drive with an electromechanical drive, a shoulder rotation mechanism, an artificial brush bioelectric control system and a power supply unit. Prosthesis comprises an electromechanical hand flexion drive and an electromechanical arm rotation mechanism drive, a shoulder pad fixed on the disabled body connected to the sleeve of the arm and providing free movement of the shoulder gusset in the sagittal plane, systems for position control of arm rotation, elbow bending and hand bending, comprising each rotary setting sensor of position control and feedback sensor connected to corresponding actuator. Said sensors of each position control system are connected to control units, in which they are respectively connected to adder. Adder is connected to two pulse converters connected to the pulse-width power amplifier. Power amplifier is connected to the motor-reducer of the actuator, respectively, to rotate the arm, to bend the elbow and to bend the hand. Forearm rotation control system is independent based on the open control principle using a two-channel rotary setting sensor with sensitive elements in form of a set of two contact switches. Brush bioelectric control system is double-channel, where the setting sensors detecting the surface potential of the biceps and triceps on the shoulder stump, each sensor comprises each current collector connected to the preamplifier. Voltage amplifier is connected to the detector connected to the filter. Each channel of sensors of open control, rotation of forearm and bioelectric control are connected to control units of brush and rotation of hand, where they are connected in series to adder. On the sleeve of the arm there are fixed setting sensors of rotation control of arm, flexion of forearm, rotation of forearm and hand bending. In the initial position of the shoulder stump, which is lowered down, the setting arm rotation sensor is fixed horizontally in the sagittal plane, the setting forearm flexion sensor is fixed horizontally in the frontal plane, the setting forearm rotation sensor is fixed vertically in the frontal plane in the shoulder joint area. Master hand flexure sensor is fixed vertically along the shoulder sleeve. Rotors of rotary shoulder rotation sensors, forearm flexion, forearm rotation and hand bending are rigidly connected to the first end of resilient rods placed in flexible shells fixed by one end on the sleeve of the arm. By the second end flexible shells of elastic rods of sensors of rotation of shoulder, forearm flexion and forearm rotation are fixed on shoulder pad. Second end of flexible shell of wrist flexion sensor is fixed on forearm. Second ends of the elastic rods are left free. Sensors of the bioelectric control system of the hand are fixed on the sleeve of the shoulder in zones of maximal signal of muscles of antagonists - biceps and triceps.

EFFECT: invention provides more convenient disability and shorter time for performance of working operations with purposeful self-service actions.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к протезированию и протезостроению. Предложенное устройство многофункционального активного протеза плеча может быть использовано при культях плеча не менее 12 см от подмышечной впадины, после односторонней и двусторонней ампутации в пределах звена плеча.The invention relates to medical technology, namely to prosthetics and prosthetics. The proposed device of a multifunctional active shoulder prosthesis can be used with shoulder stumps at least 12 cm from the armpit, after unilateral and bilateral amputation within the shoulder link.

Известен протез плеча с биоэлектрическим управлением двумя функциями движения («Конструкции протезно-ортопедических изделий». Под ред. к.т.н. А.П. Кужекина. Москва «Легкая и пищевая промышленность». 1984. - 240 с., стр. 189-190.), содержащий искусственную кисть с электромеханическим приводом, механизм ротации предплечья с электромеханическим приводом, гильзы плеча и предплечья, локтевой шарнир с тяговым управлением, механизм пассивной ротации плеча и механизм пассивного движения в лучезапястном сочленении, систему биоэлектрического управления и блок питания.Known shoulder prosthesis with bioelectric control of two functions of movement ("Designs of prosthetic and orthopedic products". Edited by Ph.D. AP Kuzhekin. Moscow "Light and food industry". 1984. - 240 p., P. 189-190.), Containing an artificial hand with an electromechanical drive, a forearm rotation mechanism with an electromechanical drive, shoulder and forearm sleeves, an elbow joint with traction control, a passive shoulder rotation mechanism and a passive movement mechanism in the wrist joint, a bioelectric control system and a power supply.

Недостатком данного устройства являются низкие функциональные возможности поскольку механизмы ротации плеча и лучезапястного шарнира реализованы в пассивном исполнении. Кроме того управление кистью, ротацией предплечья и тяговым локтем выполняется по очереди. Кроме того применение тягового привода снижает возможность использовать подвижности культи плеча и надплечья для управления активными шарнирами.The disadvantage of this device is low functionality since the mechanisms of rotation of the shoulder and wrist joint are implemented in a passive design. In addition, the control of the hand, forearm rotation and traction elbow are performed in turn. In addition, the use of a traction drive reduces the ability to use the mobility of the stump of the shoulder and shoulder girdle to control the active hinges.

Эти недостатки частично устранены в известном протезе плеча с биоэлектрическим управлением тремя функциями движения («Конструкции протезно-ортопедических изделий». Под ред. к.т.н. А.П. Кужекина. Москва «Легкая и пищевая промышленность». 1984. - 240 с., стр. 190-191.),These disadvantages are partially eliminated in the well-known shoulder prosthesis with bioelectrical control of three movement functions ("Designs of prosthetic and orthopedic products". Edited by Ph.D. AP Kuzhekin. Moscow "Light and food industry". 1984. - 240 pp. 190-191.),

Это устройство является наиболее близким по функциональной и технической сущности и выбрано авторами в качестве прототипа.This device is the closest in functional and technical essence and is chosen by the authors as a prototype.

Известное устройство содержит искусственную кисть с электромеханическим приводом и пассивным лучезапястным шарниром, механизм ротации предплечья с электромеханическим приводом, гильзы плеча и предплечья, механизм локтевого шарнира с электромеханическим приводом, механизм пассивной ротации плеча, систему биоэлектрического управления и блок питания.The known device contains an artificial hand with an electromechanical drive and a passive wrist joint, a forearm rotation mechanism with an electromechanical drive, shoulder and forearm sleeves, an elbow joint mechanism with an electromechanical drive, a passive shoulder rotation mechanism, a bioelectric control system and a power supply unit.

Недостатком известного устройства являются низкие функциональные возможности в связи с тем, что оно оснащено механизмами пассивной ротации плеча и сгибания кисти, при этом активные степени подвижности не имеют постоянной готовности к работе, так как управление активной подвижностью сгибания локтя, ротацией предплечья и подвижностью пальцев кисти выполняется по очереди в установочном режиме только со зрительным контролем положения активных звеньев. Наличие пассивных шарниров ориентации искусственной кисти и поочередное управление активными шарнирами усложняет работу оператора-инвалида и значительно увеличивает время выполнения рабочих операций.The disadvantage of the known device is low functionality due to the fact that it is equipped with mechanisms for passive rotation of the shoulder and flexion of the hand, while active degrees of mobility do not have constant readiness for work, since the control of active mobility of elbow flexion, rotation of the forearm and mobility of the fingers is performed in turn in the setting mode only with visual control of the position of the active links. The presence of passive hinges for the orientation of the artificial hand and alternate control of the active hinges complicates the work of the disabled operator and significantly increases the time for performing work operations.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства, повышение удобства инвалида и сокращение времени выполнения рабочих операций при целенаправленных действиях по самообслуживанию и при трудовых действиях.The objective of the present invention is to expand the functionality of the device, improve the convenience of a disabled person and reduce the time for performing work operations with targeted self-service actions and labor actions.

Технический результат поставленной задачи достигается тем, что в протез плеча, содержащий искусственную кисть с электромеханическим приводом и механизмом лучезапястного шарнира, механизм ротации предплечья с электромеханическим приводом, гильзы плеча и предплечья, привод локтевого шарнира с электромеханическим приводом, механизм ротации плеча, систему биоэлектрического управления искусственной кистью и блок питания предлагается: ввести электромеханический привод сгибания кисти и электромеханический привод механизма ротации плеча, наплечник, фиксируемый на корпусе инвалида, соединенный с гильзой плеча и обеспечивающий свободное перемещение надплечья в сгиттальной плоскости, системы позиционного управления ротацией плеча, сгибанием предплечья и сгибанием кисти, содержащие каждая поворотные задающий датчик позиционного управления и датчик обратной связи, соединенный с соответствующим исполнительным механизмом, при этом указанные датчики каждой позиционной системы управления соединены с блоками управления, в которых они соединены соответственно с сумматором, который соединен с двумя импульсными преобразователями, соединенными с широтно-импульсным усилителем мощности, который соединен с мотор - редуктором исполнительного механизма, соответственно ротации плеча, сгибания локтя и сгибания кисти. Кроме того система управления ротацией предплечья выполнена независимой на основе разомкнутого принципа управления с использованием двухканального поворотного задающего датчика с чувствительными элементами в виде комплекта двух контактных выключателей, а система биоэлектрического управления кистью также выполнена двухканальной, где задающие датчики, регистрирующие на культе плеча поверхностный потенциал бицепса и трицепса, содержат каждый токосъемник, соединенный с предварительным усилителем напряжения, который соединен с детектором, соединенным с фильтром. Каждый канал датчиков разомкнутого управления, ротации предплечья и биоэлектрического управления соединены с блоками управления кистью и ротацией кисти, где они соединены последовательно с сумматором, соединенным с двумя импульсными преобразователями, соединенными с широтно-импульсным усилителем мощности, который соединен с мотор - редуктором исполнительного механизма, соответственно кисти и ротации кисти. При этом на гильзе плеча предлагается закрепить задающие датчики управления ротацией плеча, сгибанием предплечья, ротацией предплечья и сгибанием кисти, причем в исходном положении культи плеча опущенной вниз задающий датчик ротации плеча закрепить горизонтально в сагиттальной плоскости, задающий датчик сгибания предплечья закрепить горизонтально во фронтальной плоскости, задающий датчик ротации предплечья закрепить вертикально во фронтальной плоскости в области плечевого сустава, кроме того задающий датчик сгибания кисти закрепить вертикально вдоль гильзы плеча, при этом роторы поворотных датчиков ротации плеча, сгибания предплечья, ротации предплечья и сгибания кисти каждый неподвижно соединить с первым концом упругих стержней, помещенных в гибкие оболочки, зафиксированные одним концом на гильзе плеча. Вторым концом гибкие оболочки упругих стержней датчиков ротации плеча, сгибания предплечья и ротации предплечья закрепить на наплечнике, а второй конец гибкой оболочки датчика сгибания кисти закрепить на предплечье, оставив свободными вторые концы упругих стержней, причем датчики системы биоэлектрического управления кистью также закрепить на гильзе плеча в зонах максимального сигнала мышц антагонистов - бицепса и трицепса.The technical result of the task is achieved by the fact that in a shoulder prosthesis containing an artificial hand with an electromechanical drive and a wrist joint mechanism, a forearm rotation mechanism with an electromechanical drive, shoulder and forearm sleeves, an elbow joint drive with an electromechanical drive, a shoulder rotation mechanism, an artificial bioelectric control system hand and power supply are proposed: to introduce an electromechanical drive for flexion of the hand and an electromechanical drive of the arm rotation mechanism, a shoulder pad fixed on the disabled person's body, connected to the shoulder sleeve and providing free movement of the shoulder girdle in the sgittal plane, positional control systems for shoulder rotation, forearm flexion and wrist flexion, containing each rotary master position control sensor and a feedback sensor connected to the corresponding actuator, while these sensors of each position control system are connected to the unit control boxes, in which they are connected, respectively, to an adder, which is connected to two pulse converters connected to a pulse-width power amplifier, which is connected to a motor-reducer of the actuator, respectively, shoulder rotation, elbow flexion and wrist flexion. In addition, the forearm rotation control system is made independent on the basis of an open control principle using a two-channel rotary reference sensor with sensitive elements in the form of a set of two contact switches, and the bioelectric hand control system is also made two-channel, where the reference sensors registering the surface potential of the biceps and triceps, each contain a collector connected to a voltage preamplifier that is connected to a detector connected to a filter. Each channel of the open-loop control, forearm rotation and bioelectric control sensors are connected to the hand and hand rotation control units, where they are connected in series with an adder connected to two pulse converters connected to a pulse-width power amplifier, which is connected to a motor-reducer of the actuator, brush and brush rotation, respectively. At the same time, it is proposed to fix the master sensors for controlling the rotation of the shoulder, flexion of the forearm, rotation of the forearm and flexion of the hand on the sleeve of the shoulder, and in the initial position of the stump of the shoulder lowered down, the master sensor of rotation of the shoulder should be fixed horizontally in the sagittal plane, the master sensor of flexion of the forearm should be fixed horizontally in the frontal plane, fix the forearm rotation sensor vertically in the frontal plane in the area of the shoulder joint, in addition, fix the hand flexion master sensor vertically along the shoulder sleeve, while the rotors of the rotary sensors for shoulder rotation, forearm flexion, forearm rotation and wrist flexion are each fixedly connected to the first end of elastic rods placed in flexible shells, fixed at one end on the sleeve of the shoulder. With the other end, the flexible sheaths of the elastic rods of the shoulder rotation, forearm flexion and forearm rotation sensors are fixed on the shoulder pad, and the other end of the flexible sheath of the wrist flexion sensor is fixed on the forearm, leaving the second ends of the elastic rods free, and the bioelectric hand control system sensors are also fixed on the shoulder sleeve in zones of maximum signal of the antagonist muscles - biceps and triceps.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг 1, представлена структурная схема многофункционального активного протеза плеча, на фиг. 2 представлена конструктивная схема подсоединения роторов поворотных датчиков управления, на фиг. 3 представлена схема размещения датчиков управления на гильзе плеча, на фиг. 4 представлена структурная схема датчика биоэлектрического управления.The essence of the invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a structural diagram of a multifunctional active shoulder prosthesis, Fig. 2 shows a structural diagram of the connection of rotors of rotary control sensors, FIG. 3 shows a diagram of the arrangement of control sensors on the arm sleeve, FIG. 4 shows a block diagram of a bioelectric control sensor.

Многофункциональный активный протез плеча (фиг. 1) содержит наплечник 1, гильзу плеча 2, предплечье 3, исполнительные механизмы ротации плеча 4, сгибания кисти 5, сгибания предплечья 6, ротации предплечья 7 и искусственную кисть 8, три датчика углов (обратной связи) 9, 10, 11 систем управления ротацией плеча, сгибания кисти и сгибания предплечья с позиционной обратной связью, задающие датчики независимого управления 12 (поворотный двухканальный датчик ротации предплечья) и 13, 14 (биоэлектрического управления), а также три электронных блока управления систем управления с позиционной обратной связью 15, 16, 17 - ротацией плеча, сгибанием кисти и сгибанием предплечья, процесс управления в которых инициируется поворотными задающими датчиками 18, 19, 20 и два электронных блока управления 21, 22 независимого управления исполнительными механизмами кисти и ротации предплечья,A multifunctional active shoulder prosthesis (Fig. 1) contains a shoulder pad 1, a shoulder sleeve 2, a forearm 3, actuators for rotation of the shoulder 4, flexion of the hand 5, flexion of the forearm 6, rotation of the forearm 7 and an artificial hand 8, three angle sensors (feedback) 9 , 10, 11 control systems for shoulder rotation, wrist flexion and forearm flexion with positional feedback, setting independent control sensors 12 (rotary two-channel forearm rotation sensor) and 13, 14 (bioelectric control), as well as three electronic control units of control systems with positional feedback 15, 16, 17 - rotation of the shoulder, flexion of the hand and flexion of the forearm, the control process in which is initiated by rotary reference sensors 18, 19, 20 and two electronic control units 21, 22 for independent control of the actuators of the hand and rotation of the forearm,

Каждый блок управления степенью подвижности в предлагаемом устройстве содержит сумматор 23, два импульсных преобразователя 24, 25, усилитель мощности 26 и мотор-редуктор 27, а каждый поворотный датчик (фиг. 2, 3) неподвижно соединен с первым концом упругих стержней 28, помещенных в гибкие оболочки 29, зафиксированные одним концом на гильзе плеча 2, при этом вторые концы гибких оболочек задающих датчиков ротации плеча 18, сгибания предплечья 20 и ротации предплечья 12 закреплены на наплечнике, а гибкая оболочка датчика 19 сгибания кисти вторым концом закреплена на предплечье 3, при этом вторые концы упругих стержней оставлены свободными, кроме того каждый датчик биоэлектрического управления 13 и 14 (фиг. 4) содержит токосъемник 30, соединенный последовательно с предварительным усилителем напряжения 31, который соединен с детектором 32, соединенным с фильтром 33.Each control unit for the degree of mobility in the proposed device contains an adder 23, two pulse converters 24, 25, a power amplifier 26 and a gear motor 27, and each rotary sensor (Fig. 2, 3) is fixedly connected to the first end of the elastic rods 28 placed in flexible sheaths 29, fixed at one end on the sleeve of the shoulder 2, while the second ends of the flexible sheaths of the master sensors for rotation of the shoulder 18, flexion of the forearm 20 and rotation of the forearm 12 are fixed on the shoulder pad, and the flexible sheath of the sensor 19 of flexion of the hand is fixed with the second end on the forearm 3, when In this case, the second ends of the elastic rods are left free, in addition, each bioelectric control sensor 13 and 14 (Fig. 4) contains a current collector 30 connected in series with a voltage preamplifier 31, which is connected to a detector 32 connected to a filter 33.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Управление исполнительными механизмами ротации предплечья 7 и кисти 8, входящими в состав многофункционального активного протеза плеча, осуществляется посредством блоков независимого управления 21, 22 по сигналам от датчика 12 движения надплечья вперед-назад и 13, 14 биоэлектрического управления. Управление движением ротации плеча и сгибанием кисти выполняется путем воздействия отведения - приведения культи плеча с гильзой плеча 2 на задающий датчик ротации плеча 18. Ротация плеча, приводит в действие задающий датчик 19, который инициирует сгибание кисти. Таким образом, при отведении плеча происходит сочетанное движение ротации плеча и сгибания кисти - сочетанное движение подобное естественному стереотипу во время ориентации руки перед моментом захвата кистью объекта манипулирования. При сгибании культи плеча приводится в действие задающий датчик 20 сгибания предплечья, который инициирует сгибание предплечья также подобно естественным манипуляциям при ориентации руки в рабочей зоне моторного поля. После установки искусственной руки около объекта манипулирования, движение надплечья вперед-назад включает поворотный контактный датчик 12 ротации предплечья и выполняется ориентация кисти относительно объекта. Далее методом биоэлектрического управления, воздействуя на датчики 13 и 14 сокращением мышц бицепса или трицепса, производят раскрытие пальцев кисти и захват объекта манипулирования. Манипулирование объектом осуществляется движениями культи плеча и корпуса инвалида подобно естественному стереотипу компенсаторных движений.The control of the actuators for the rotation of the forearm 7 and hand 8, which are part of the multifunctional active shoulder prosthesis, is carried out by means of independent control units 21, 22 according to signals from the sensor 12 for movement of the shoulder girdle back and forth and 13, 14 of bioelectric control. Control of the movement of the shoulder rotation and flexion of the hand is performed by the action of abduction - bringing the stump of the shoulder with the sleeve of the shoulder 2 to the master sensor for rotation of the shoulder 18. Rotation of the shoulder activates the reference sensor 19, which initiates flexion of the hand. Thus, when the shoulder is abducted, a combined movement of shoulder rotation and flexion of the hand occurs - a combined movement similar to the natural stereotype during the orientation of the hand before the moment the hand grips the object of manipulation. When the stump of the shoulder is flexed, the forearm flexion control sensor 20 is activated, which initiates flexion of the forearm, similarly to natural manipulations when the hand is oriented in the working area of the motor field. After placing the artificial hand near the object to be manipulated, the forward-backward movement of the shoulder girdle turns on the rotary contact sensor 12 for rotation of the forearm, and orientation of the hand relative to the object is performed. Further, by the method of bioelectric control, acting on the sensors 13 and 14 by contraction of the muscles of the biceps or triceps, the fingers of the hand are opened and the object of manipulation is gripped. Manipulation of the object is carried out by the movements of the stump of the shoulder and the body of the disabled person, similar to the natural stereotype of compensatory movements.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в расширении функциональных возможностей устройства и повышении удобства инвалида. Повышение функциональности достигается за счет сокращения времени выполнения рабочих операций путем использования сочетанного управления звеньями, введением звеньев с позиционной обратной связью и повышением точности координирования движений.The technical and economic efficiency of the invention lies in expanding the functionality of the device and increasing the convenience of the disabled person. The increase in functionality is achieved by reducing the time for performing work operations through the use of combined link control, the introduction of links with positional feedback and increasing the accuracy of the coordination of movements.

Claims

Multifunctional active shoulder prosthesis containing an artificial hand with an electromechanical drive and a wrist joint mechanism, a forearm rotation mechanism with an electromechanical drive, shoulder and forearm sleeves, an elbow joint drive with an electromechanical drive, a shoulder rotation mechanism, a bioelectric control system of an artificial hand and a power supply unit, which is different that it includes an electromechanical drive for flexion of the hand and an electromechanical drive for the rotation mechanism of the shoulder, a shoulder pad fixed on the body of the disabled person, connected to the shoulder sleeve and providing free movement of the shoulder girdle in the sagittal plane, positional control systems for shoulder rotation, flexion of the elbow and flexion of the hand, each containing rotary master position control sensor and feedback sensor connected to the corresponding actuator, while these sensors of each position control system are connected to control units, in which They are connected, respectively, to an adder, which is connected to two pulse converters connected to a pulse-width power amplifier, which is connected to a gear motor of the actuator, respectively, shoulder rotation, elbow flexion and hand flexion, in addition, the forearm rotation control system is made independent based on the open-loop control principle using a two-channel rotary reference sensor with sensitive elements in the form of a set of two contact switches, and the bioelectrical control system of the hand is also two-channel, where the reference sensors recording the surface potential of the biceps and triceps on the shoulder stump contain each current collector connected to a voltage preamplifier that is connected to a detector connected to the filter, each channel of the open control, forearm rotation and bioelectric control sensors connected to the hand and rotation control units her hand, where they are connected in series with an adder connected to two pulse converters connected to a pulse-width power amplifier, which is connected to a gear motor of the actuator, respectively, of the hand and rotation of the hand, while master sensors for controlling the rotation of the shoulder are fixed on the shoulder sleeve , flexion of the forearm, rotation of the forearm and flexion of the hand, and in the initial position of the shoulder stump lowered downward, the master arm rotation sensor is fixed horizontally in the sagittal plane, the master arm flexion sensor is fixed horizontally in the frontal plane, the master arm rotation sensor is fixed vertically in the frontal plane in the shoulder region joint, in addition, the master wrist flexion sensor is fixed vertically along the shoulder sleeve, while the rotors of the rotary sensors for shoulder rotation, forearm flexion, forearm rotation and wrist flexion are each motionlessly connected to the first end of elastic rods, room data in flexible shells, fixed at one end on the sleeve of the shoulder, and at the other end, flexible shells of elastic rods of the sensors for shoulder rotation, forearm flexion and forearm rotation are fixed on the shoulder pad, while the second end of the flexible shell of the hand flexion sensor is fixed on the forearm, and the second ends of the elastic rods are left free, in addition, the sensors of the bioelectrical control system of the hand are also fixed on the shoulder sleeve in the zones of maximum signal of the antagonist muscles - biceps and triceps.