МНОГОКООРДИНАТНЫЙ ПРИВОД ДЛЯ ПРОТЕЗА С ЦИФРОВОЙ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области протезирования, конкретнее к области приводов, обеспечивающих движение в неимплантируемых протезах суставов.
Известен протез сустава, содержащий электродвигатель, ротор, выполненный в виде постоянного магнита сферической формы с возможностью движения протеза сустава по одной, двум или трем степеням свободы, крепление для соединения статора протеза сустава со сферическим электродвигателем с культей и крепление для соединения ротора протеза сустава со сферическим электродвигателем с частью тела человека или ее искусственным заменителем [Патент РФ №189275, A61F 2/70, 17.09.2018].
Недостатком аналога является высокая масса и невысокие точность и скорость позиционирования ротора, за счет выполнения ротора в виде сферического постоянного магнита.
Известен сферический двигатель, характеризующийся наличием механизма для обнаружения работы ротора сферического двигателя, который может вращаться в произвольном направлении, с оптическим датчиком положения, имеющим выходное число три или более [JP 2013150426 (А), H02K 11/00, 01.08.2013].
Недостатками аналога являются невысокие быстродействие и надежность, за счет применения сложной системы управления, содержащей оптические датчики.
Известен сферический двигатель с множеством степеней свободы и его редукционный механизм, включающий в себя ротор, редукционный механизм и статор. Ротор двигателя включает в себя ротор и постоянные магниты. Редукционный механизм включает в себя обойму, шарики, выходной корпус, метки и постоянные магниты. Статор сферического двигателя состоит из опоры статора и электромагнита. Ротор представляет собой полую сферу, поверхность которой равномерно покрыта рядами ступенчатых отверстий. Поверхность ротора равномерно инкрустирована рядом меток. Магниты прикрепляются к ступенчатым отверстиям ротора. Обойма представляет собой конструкцию из полых сфер, расположенных вне ротора. Неподвижное гнездо магнита установлено на поверхности обоймы, а неподвижный магнит размещен на поверхности обоймы. Ряд сквозных отверстий для шариков равномерно расположен на поверхности обоймы. Выходной корпус представляет собой полую сферическую конструкцию, расположенную вне ротора. Шарики помещены в сквозные отверстия ротора, а внешние поверхности контактируют с внешней поверхностью ротора и внутренней поверхностью выходного корпуса соответственно. На опоре статора несколько пазов для электромагнитов равномерно расположены на внутренней поверхности. Электромагниты закреплены внутри пазов электромагнита. Магнитные полюса двух соседних электромагнитов имеют противоположные полярности, а полюса электромагнитов и постоянных магнитов имеют одинаковые полярности. Внутренняя поверхность опоры статора имеет ряд равномерно расположенных на ней датчиков положения ротора. Датчик положения совмещен с соответствующей меткой. Опора статора снабжена седлом магнита, в котором расположен постоянный магнит для взаимодействия с постоянным магнитом в держателе [CN 108494203 (А), H02K 1/27,04.09.2018].
Недостатками аналога являются невысокое быстродействие и высокие массогабаритные показатели, обусловленные многокомпонентностью аналога и сложностью его системы управления.
Известен асинхронный электродвигатель со сферическим полым короткозамкнутым ротором, содержащий корпус, гладкий полый сферический ротор с покрытием и бесконтактным подвесом, дуговые статоры по трем координатам с трехфазными обмотками возбуждения. Дополнительно введены датчики момента, источники света, сравнивающие элементы, задатчики момента, расширяющие элементы, источники питания и световоды, выходы которых обращены к поверхности ротора, а входы соединены с источниками света. Статоры двигателя крепятся к корпусу через датчики момента, выходы которых соединены с первыми входами сравнивающих элементов, вторые входы которых связаны с задатчиками моментов, а выходы регулирующих элементов связаны с источниками света. Использование в асинхронном двигателе фоторезистивного покрытия ротора, источников света, световодов, расположенных в межпакетных пространствах дуговых статоров, позволяет расширить применение двигателя путем регулирования частоты вращения изменением активного сопротивления активного короткозамкнутого ротора [авторское свидетельство СССР №1737641, H02K 17/02, 30.05.1992].
Недостатком аналога являются высокие массогабаритные показатели за счет наличия дуговых статоров по трем координатам, невысокая надежность и невысокое быстродействие за счет применения сложной многокомпонентной системы управления.
Известен магнитосферический гироскоп, предназначенный для использования в качестве двухосного инерциального блока. Гироскоп содержит сферический ротор, двухкоординатные датчики угла и момента, верхний и нижний статоры подвеса ротора с электромагнитными обмотками, резонансные конденсаторы и диодные демпфирующие мосты. Мосты последовательно соединены с электромагнитными обмотками. Гироскоп дополнительно содержит блок выработки составляющих ускорения и электродвигатель. Сферический ротор снабжен токопроводящим пояском. В диагонали диодных демпфирующих мостов включены корректирующие контуры. Блок выработки составляющих ускорения включает сумматоры и усилители-преобразователи. Входы сумматоров подключены параллельно входам корректирующих контуров попарно для каждой из четырех осей подвеса ротора. Входы первого усилителя-преобразователя соединены с выходами первого и третьего сумматоров, входы второго усилителя-преобразователя с выходами второго и четвертого сумматоров, выходы третьего усилителя-преобразователя с выходами всех четырех сумматоров [патент РФ №2126135, G01C 19/24, 10.02.1999].
Недостатками аналога являются высокая масса, возможность применения устройства только в отслеживающих системах, невозможность придания движения сферическому ротору за счет внешнего магнитного поля, невысокая надежность за счет применения сложной многокомпонентной системы управления.
Известен многокоординатный шаговый электродвигатель, содержащий неподвижный плоский зубчатый индуктор и подвижные якоря с зубчатыми магнитопроводами и фазными обмотками управления, укрепленные в общем корпусе с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной плоскости индуктора, якоря которого снабжены двумя группами магнитопроводов, симметрично расположенных относительно осей вращения якорей, причем направления нарезки зубцовых групп магнитопроводов взаимно перпендикулярны [авторское свидетельство СССР №1119131, H02K 41/02, 24.07.1983].
Недостатками аналога являются высокие массогабаритные показатели за счет применения двух групп магнитопроводов, невозможность обеспечения плавного перемещения ротора, сложность производства и сборки.
Ближайшим аналогом является электромеханический привод протезов конечностей, который содержит реверсивный электродвигатель с выходным валом, соединенным со входным валом дифференциального редуктора, на диаметральных точках выходного вала которого закреплены параллельные нити первой группы. Параллельные нити дополнительной группы закреплены на диаметральных точках дифференциальной коробки редуктора, в которой размещены сателлиты [Патент РФ №2123312, A61F 2/56, 20.12.1998].
Недостатком ближайшего аналога являются обеспечение движения только по одной степени свободы и высокие массогабаритные показатели, за счет использования сложных механических систем для передачи движения.
Задача полезной модели - снижение массогабаритных показателей электромеханического привода протезов для повышения быстродействия электромеханического привода протезов.
Технический результат предлагаемого многокоординатного привода для протеза с цифровой системой управления - повышение быстродействия привода для протеза, за счет снижения массогабаритных показателей, за счет применения постоянных магнитов на роторе привода, постоянного кольцевого магнита и цифровой системы управления.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что электромеханический привод протезов, содержащий электродвигатель и выходной элемент, в отличие от прототипа, содержит выходной элемент, выполненный в виде крепления для механического элемента с возможностью восполнения человеку функции, утраченной при повреждении части тела, содержит ротор с постоянными магнитами, постоянный кольцевой магнит, соединенный с каркасами электромагнитов посредством креплений для постоянного кольцевого магнита, выполненных из немагнитопроводящего материала, три фазные обмотки, закрепленные на каркасах электромагнитов, каркас, выполненный из неэлектропроводящего материала, прикрепленный к каркасам для электромагнитов, датчики положения ротора, прикрепленные к креплениям для постоянного кольцевого магнита, цифровое средство управления и общий источник питания, электрически соединенные между собой и с электродвигателем, корпус, выполненный из биосовместимого неэлектропроводящего материала, и крепление к протезируемой части тела, выполненное из биосовместимого неэлектропроводящего материала, соединенное с корпусом.
Сущность устройства поясняется чертежами, на которых представлен многокоординатный привод протеза с цифровой системой управления. На фиг. 1 представлена общая схема многокоординатного привода для протеза с цифровой системой управления. На фиг. 2 представлен электродвигатель многокоординатного привода для протеза с цифровой системой управления, размещенные в корпусе. На фиг. 3 представлена блок-схема цифровой системы управления.
Многокоординатный привод для протеза с цифровой системой управления состоит из электродвигателя 1, цифровой системы управления 2 (фиг. 1). Электродвигатель 1 многокоординатного привода для протеза с цифровой системой управления состоит из ротора 3, постоянных магнитов 4, механически прикрепленных к ротору 3, постоянного кольцевого магнита 5, трех креплений для постоянного кольцевого магнита 6, трех каркасов электромагнитов 7, механически соединенных с постоянным кольцевым магнитом 5 посредством креплений для постоянного кольцевого магнита 6, трех фазных обмоток 8, механически закрепленных на трех каркасах электромагнитов 7, каркаса 9, механически прикрепленного к трем каркасам электромагнитов 7, трех датчиков положения ротора 10, механически прикрепленных к креплениям для постоянного кольцевого магнита 6, цифровой системой позиционирования ротора 2, электрически соединенной с тремя фазными обмотками 8 и датчиками положения ротора 10. К ротору 3 механически прикреплен выходной элемент 11. Цифровая система управления 2 в свою очередь состоит из шунтов 12, преобразователя напряжения 13, преобразователя питания 14, микроконтроллера 15, трех силовых сборок 16, усилителей сигналов от датчиков положения ротора 17, драйверов силовой части 18, усилителей сигналов 19, электрически связанных между собой (фиг. 3). Многокоординатный привод для протеза с цифровой системой управления содержит общий источник питания 20, электрически соединенный с электродвигателем 1 и цифровой системой управления 2. Общий источник питания 20 электрически соединен с преобразователем напряжения 13 и преобразователем питания 14. Многокоординатный привод для протеза с цифровой системой управления также содержит корпус 21 и крепление к части тела 22, механически соединенные между собой. Электродвигатель 1, цифровая система управления 2 и общий источник питания механически прикреплены к корпусу 21.
Электродвигатель 1 электрически соединен с общим источником питания 20. Цифровая система управления 2 электрически соединена с общим источником питания 20. Общий источник питания 20 выполняется в виде электрического аккумулятора с возможностью зарядки. Ротор 3 механически соединен с шестью постоянными магнитами 4. Ротор 3 выполнен из немагнитопроводящего материала. Пары постоянных магнитов 4, расположенные диаметрально противоположно друг другу, выполнены с противоположной намагниченностью. Постоянный кольцевой магнит 5 механически соединен с тремя каркасами электромагнитов 7 посредством трех креплений для постоянного кольцевого магнита 6. На каждом из трех каркасов электромагнитов 7 механически закреплена одна из фазных обмоток 8. Крепления для постоянного кольцевого магнита 6 выполнены из немагнитопроводящего материала. Каркасы электромагнитов 7 выполнены из неэлектропроводящего материала. Три каркаса электромагнитов 7 и закрепленные на каждом из них фазные обмотки 8 находятся в защитном корпусе из неэлектропроводящего материала. Три каркаса электромагнитов 7 с закрепленными на каждом из них фазными обмотками 8 механически прикреплены к каркасу 9. Каркас 9 выполнен из неэлектропроводящего материала. Три каркаса электромагнитов 7 с закрепленными на каждом из них фазными обмотками 8 расположены в вершинах правильного треугольника, вписанного в наружную окружность постоянного кольцевого магнита 5. Три датчика положения ротора 10 механически прикреплены к креплениям для постоянного кольцевого магнита 6. Датчики положения ротора 10 расположены в вершинах правильного треугольника, вписанного в наружную окружность постоянного кольцевого магнита 5. Три фазные обмотки 8 и три датчика положения ротора 10 электрически связаны с цифровой системой управления 2. Выходной элемент 11 механически прикреплен к ротору 3. Выходной элемент 11 выполняется из биосовместимого неэлектропроводящего материала. Выходной элемент 11 предназначен для прикрепления к нему механического элемента или устройства, которое позволит восполнить человеку функции, утраченные при повреждении или утере части тела. Цифровая система управления содержит в себе три симметричные части, каждая из которых включает в себя одну из трех фазных обмоток 8 и один датчик положения ротора 10. С каждой из трех фазных обмоток 8 электрически соединен шунт 12. Три фазные обмотки 8 электрически соединены с преобразователем напряжения 13. Преобразователь питания 14 электрически соединен с микроконтроллером 15. Преобразователь питания 14 электрически соединен с датчиками положения ротора 10. Каждая из трех силовых сборок 16 электрически соединена с одной из трех фазных обмоток 8. Каждый из датчиков положения ротора 10 электрически соединен с одним из усилителей сигналов от датчиков положения ротора 17. Каждая из силовых сборок 16 электрически соединена с одним из драйверов силовой части 18. Каждый из трех шунтов 12 электрически соединен с одним из усилителей 19. Усилители сигналов от датчиков положения ротора 17, драйверы силовых частей 18 и усилители 19 электрически соединены с микроконтроллером 15. Преобразователь напряжения 13 и преобразователь питания 14 электрически соединены с общим источником питания 20. Электродвигатель 1, цифровая система управления 2 и общий источник питания 20, электрически соединенные между собой, механически закреплены внутри корпуса 21. Корпус 21 выполняется из биосовместимого неэлектропроводящего материала. Корпус 21 механически соединен с креплением к части тела 22. Крепление к части тела 22 выполняется из биосовместимого неэлектропроводящего материала. Крепление к части тела 22 предназначено для крепления многокоординатного привода для протеза с цифровой системой управления к протезируемой части тела (культе или поврежденной части тела человека). Выходной элемент 11 механически связан с корпусом 21 посредством элемента, обеспечивающего возможность перемещения ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходного элемента 11 относительно корпуса 21. Корпус 21 защищает электродвигатель 1, цифровую систему управления 2 и общий источник питания 20 от внешних воздействий. Элемент, посредством которого выходной элемент 11 механически связан с корпусом 21, может выполняться в виде полой эластичной трубы из биосовместимого неэлектропроводящего материала и служит для предотвращения задевания ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходного элемента 11 о постоянный кольцевой магнит 5. Корпус 21 механически соединен с креплением к части тела 22. Крепление к части тела 22 может выполняться различных размеров и формы в зависимости от того, какие размеры и форму имеет часть тела, к которой крепится многокоординатный привод для протеза с цифровой системой управления.
Многокоординатный привод с цифровой системой управления функционирует следующим образом. Между постоянным кольцевым магнитом 5 и постоянными магнитами 4 ротора 3 есть постоянная составляющая магнитного поля, за счет которой ротор 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 не притягивается к постоянному кольцевому магниту 5. Постоянная составляющая магнитного поля между постоянным магнитами 4 и постоянным кольцевым магнитом 5 участвует в образовании общего магнитного поля, за счет которого ротор 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 левитирует над постоянным кольцевым магнитом 5, причем постоянная составляющая магнитного поля между постоянным магнитами 4 и постоянным кольцевым магнитом 5 образована не зависимо от магнитного поля фазных обмоток 8. На три фазные обмотки 8 подается постоянное напряжение через преобразователь напряжения 13. На преобразователь напряжения 13 питание подается от общего источника питания 20. Преобразователь напряжения 13 преобразует напряжение, получаемое от общего источника питания 20, в напряжение для питания трех фазных обмоток 8 с необходимыми параметрами. В результате этого образуется магнитное поле от трех фазных обмоток 8, которое взаимодействует с магнитным полем постоянных магнитов 4 ротора 3. Магнитное поле от трех фазных обмоток 8 является стабилизирующим полем, когда ротор 3 многокоординатного привода с цифровой системой управления не перемещается. В результате суммарного воздействия магнитного поля постоянного кольцевого магнита 5 и магнитного поля от трех фазных обмоток 8 на постоянные магниты 4 ротора 3 ротор 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 левитирует над постоянным кольцевым магнитом статора 5. Шунтами 12 совместно с микроконтроллером 15 измеряется ток трех фазных обмоток 8. Преобразователя питания 14 преобразует и подает питание от общего источника питания 20 для работы микроконтроллера 15. Питание к датчикам положения ротора 10 подается от преобразователя питания 14. При отклонении ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 от устойчивого положения левитации изменяется сигнал от датчиков положения ротора 10, который усиливается усилителями сигналов от датчиков положения ротора 17 и поступает на микроконтроллер 15. В случае нахождения ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 в устойчивом положении левитации от трех датчиков положения ротора 10 поступают одинаковые сигналы на микроконтроллер 15. Если на микроконтроллер 15 поступают различные сигналы от трех датчиков положения ротора 10, то микроконтроллер формирует сигнал управления, который поступает на драйвер силовой части 18. Драйвер силовой части 18 преобразует сигнал управления от микроконтроллера в электрическое воздействие, которое подается на силовую сборку 16. Под электрическими воздействиями от драйвера силовой части 18 срабатывают транзисторы в силовых сборках 16, за счет чего изменяется ток одной или нескольких фазных обмотках 8. Токи в трех фазных обмотках 8 при этом регулярно измеряются посредством шунтов 12, сигнал от которых усиливается в усилителях 19 и поступает для обработки на микроконтроллер 15. Таким образом, формируются необходимые для устойчивой левитации ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 над постоянным кольцевым магнитом 5. При этом сигналы от датчиков положения ротора 10 становятся одинаковыми, что регистрируется микроконтроллером 15. Измерение токов трех фазных обмоток 8 также отвечает за энергоэффективность многокоординатного привода с цифровой системой позиционирования ротора для протезов, обеспечивающих перемещение по нескольким степеням свободы, так как микроконтроллер 15 не позволяет протекать токам через три фазные обмотки 8, которые по значению больше чем необходимые для обеспечения левитации ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 токов трех фазных обмоток 8. После того, как ротор 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 принял устойчивое положение левитации над постоянным кольцевым магнитом 5, цифровая система управления 2 отвечает за необходимые плавные перемещения ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11. Отклонение ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 от текущего положения в необходимое осуществляется следующим образом. От датчиков положения ротора 10 на микроконтроллер 15 подается информация о текущем положении ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11. Информация о текущем положении ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 сравнивается с необходимым положением ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11. Если необходимое положения ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 отличается от текущего положения ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11, то микроконтроллером 15 формируется сигнал управления, который поступает на необходимый или необходимые драйверы силовых частей 18. Выбор необходимого или необходимых драйверов силовых частей 18 осуществляется посредством микроконтроллера 15 в зависимости от того, в каком направлении необходимо осуществить плавное перемещение ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11. Необходимым или необходимыми драйверами силовых частей 18 управляющий сигнал от микроконтроллера 15 преобразуется в электрическое воздействие, которое воспринимается необходимой или необходимыми силовыми сборками 16 для формирования магнитного поля необходимой или необходимых фазных обмоток 8 таким образом, чтобы осуществить необходимое перемещение ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11. В перемещении ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 участвует только магнитное поле, образуемое необходимой или необходимыми фазными обмотками 8, причем левитации ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 поддерживается за счет постоянной составляющей магнитного поля между постоянными магнитами 4 и постоянным кольцевым магнитом 5, что позволяет повысить быстродействие привода для протеза. При этом микроконтроллером 15 также контролируются токи трех фазных обмоток 8 посредством шунтов 12. Перемещение ротора 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 осуществляется за счет взаимодействия магнитных полей необходимой или необходимых фазных обмоток 8 с магнитными полями постоянных магнитов 4. Постоянные магниты 4 ротора 3 намагничены таким образом, что при взаимодействии магнитных полей необходимой или необходимых фазных обмоток 8 создается магнитная сила, перемещающая ротор 3 с постоянными магнитами 4 из текущего положения в необходимое положение. После того, как от датчиков положения ротора 10 на микроконтроллер 15 поступили сигналы, соответствующие необходимому положению ротора 3 с постоянными магнитами 4, микроконтроллер 15 подает сигнал управления на драйверы силовых частей 18, который преобразуется в электрические воздействия на силовые сборки 16, такие, что магнитное поле фазных обмоток 8 формируется таким образом, что ротор 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 фиксируется в необходимом положении. Ротор 3 с постоянными магнитами 4 и выходным элементом 11 стабилизируется в устойчивом положении левитации над постоянным кольцевым магнитом 5 после совершения необходимого перемещения.
Заявляемая полезная модель позволяет повысить быстродействие привода для протезов. Преимуществами предлагаемой полезной модели является то, что заявляемая полезная модель позволяет снизить массу и габариты протезов, обеспечивающих перемещение по нескольким степеням свободы и расширить функциональные возможности электромеханических приводов для протезов за счет применения постоянных магнитов на роторе, постоянного кольцевого магнита и цифровой системы управления.