ПРОТЕЗ КИСТИ РУКИ

Полезная модель относится к области медицинской техники, а именно к управляемым протезам кистей рук. Предлагаемый протез предназначен для детей и взрослых со степенью ампутации от пальцев до предплечья. Также он подходит пациентам с врожденными дефектами кисти и недоразвития пальцев.
Из уровня техники известны следующие технические решения.
Известна механическая кисть (патент РФ №2245120, опубликован 27.01.2005), содержащая ладонь, искусственные пальцы, образованные шарнирно соединенными пустотелыми фалангами, жилки для сжимания искусственных пальцев в кулак и возвратные пружинки для выпрямления искусственных пальцев. Механическая кисть также содержит храповое колесо со шкивом, расположенным под храповым колесом, и имеющим проточку по периметру для размещения пучка жилок, собачку храповика, вороток для поворачивания храпового колеса и фиксатор для удерживания собачки. При этом жилки для сжимания искусственных пальцев в кулак закреплены в концах верхних фаланг, пропущены внутри искусственных пальцев, проходят в шкиве храпового колеса и закреплены в манжете, выполненной с возможностью установки выше локтевого сустава. Причем искусственные пальцы выполнены с возможностью сжимания в кулак при сгибании руки или повороте шкива с помощью воротка за счет натяжения жилок и с возможностью выпрямления за счет возвратных пружинок, при выпрямлении руки или при выведении собачки из зацепления с зубом храпового колеса.
Недостатком указанной механической кисти является то, что все пальцы сжимаются одинаково и протез имеет одну форму захвата, без адаптации под определенную форму захватываемого предмета.
Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является протез кисти руки (патент Германии №19755465, опубликован 17.06.1999) в котором четыре пальца объединены попарно посредством системы тросов и шкивов (указательный со средним, безымянный с мизинцем), обе пары пальцев объединены в одну группу посредством третьего шкива и тросов, который, в свою очередь, объединен со шкивом большого пальца посредством тросов и четвертого шкива, от которого тянется трос, который посредством механического привода приводит в действие всю систему захвата, адаптируемого к форме захватываемого предмета. Такая система обеспечивает движение каждого пальца независимо от остальных.
Недостатком известного решения является выполнение фаланг пальцев полыми за счет чего нагрузка от троса передается неравномерно по всему пальцу, а также отсутствие механизма поворота большого пальца, что позволяет выполнять с помощью описанного протеза ограниченное количество манипуляций Кроме того, функция захвата осуществляется с помощью гидравлики или пневматики, что усложняет конструкцию и есть вероятность выхода ее из строя. У известного решения протез подходит для людей со степенью ампутации выше лучезапястного сустава.
Технический результат заключается в повышении эффективности адаптивного захвата предметов любой формы за счет того, что увеличивается количество типов или видов захвата.
Заявленный технический результат достигается за счет конструкции протеза кисти руки, включающего механическую кисть, содержащую ладонь, искусственные пальцы, образованные шарнирно соединенными фалангами с каналами, через которые протянуты тросы, концы которых закреплены на верхних фалангах, и каналами, через которые протянуты резинки, пережатые винтами в каждой фаланге, четыре пальца объединены попарно посредством системы тросов и двух шкивов, объединенных посредством тросов и третьего шкива, который объединен с большим пальцем посредством тросов и четвертого шкива, соединенного посредством троса с узлом натяжения тросов, в основании большого пальца выполнен выступ, на который установлено основание большого пальца с зубчиками, зафиксированными на выступе посредством пружины и кнопки, расположенными в полости кисти напротив основания большого пальца.
Фаланги выполнены не полыми, как в аналогичных конструкциях, а сплошными с каналами небольшого диаметра, а тросы в пальцах проходят в каналах, выполненных в фалангах, причем диаметр каналов немного больше диаметра троса. Положительный эффект заключается в том, что нагрузка от троса передается равномерно всем фалангам, что улучшает захват и увеличивает ресурс работы пальцев.
В предлагаемом протезе используется антропоморфная конструкция привода пальцев. Принцип сгибания пальца такой же, как и у человека: когда мышца сокращается, тянется сухожилие и палец сгибается. Аналогично через фаланги проходит трос, потянув за который, можно согнуть палец. Во многих конструкциях для привода пальцев и изменения их положения используются не тросы, а пластины или другие жесткие элементы и соединения. За счет того, что в предлагаемом протезе используются тросы, каждый палец при захвате может принимать любую форму, соответствующую форме захватываемого предмета, а при использовании жестких элементов у каждого пальца есть только одна заданная форма захвата и траектория движения.
Для возврата пальцев в исходное положение в каждой фаланге пальца выполнены каналы, через которые проходит резинка. При сгибании пальца, резинка натягивается и возвращает палец в исходное положение. Отличительная особенность - это винты в каждой фаланге, пережимающие резинку, образуя три участка резинки между винтами. С помощью винтов на каждом участке резинки создается и фиксируется разная степень натяжения, за счет чего можно настраивать и изменять траекторию движения пальцев, что увеличивает удобство при эксплуатации протеза, его надежность и увеличивает качество захвата.
Возможность поворота большого пальца обеспечивается за счет того, что в основании большого пальца выполнен выступ, на который установлено основание большого пальца с зубчиками, зафиксированными на выступе посредством пружины и кнопки, расположенными в полости кисти напротив основания. Основание большого пальца поворачивается вокруг оси поворота большого пальца. Для того чтобы повернут основание большого пальца вокруг оси: необходимо нажать кнопку и вытащить ее из зубчиков основания большого пальца и повернуть на необходимый угол основание большого пальца. После поворота основания большого пальца, необходимо отпустить кнопку и она под воздействием возвратной пружины вернется в исходное положение, вклинится между зубчиками основания большого пальца и заблокирует основание большого пальца в выбранном положении. Благодаря повороту большого пальца вокруг оси поворота у него появляется дополнительная степень свободы, что приводит к увеличению количества возможных захватов в четыре раза по сравнению с протезами в которых нет возможности повернуть большой палец относительно кисти.
Соединение пальцев посредством системы тросов и шкивов обеспечивает автоматическую адаптацию захвата под форму предмета. С помощью нее, каждый палец работает независимо от остальных. Если форма предмета будет сложной (изогнутой, с резкими перепадами высоты) или предмет будет маленький, то известные тяговые протезы не могут их хорошо и надежно захватить и удерживать. Это происходит потому, что угол поворота всех пальцев одинаковый и если, например, один палец упирается в предмет и не может двигаться, то все остальные пальцы тоже перестают двигаться, не войдя в контакт с предметом. С системой автоматической адаптации захвата протез работает как живая рука. Если во время захвата один из пальцев упирается в предмет, то он останавливается, а остальные пальцы продолжают сгибаться пока не упрутся в предмет. Когда все пальцы контактируют с предметом, то они все сжимают предмет с одинаковым усилием. Благодаря этому, данным протезом можно захватить и надежно удерживать предмет любой формы.
Предлагаемый вариант протеза с функцией захвата при сгибании лучезапястного сустава подходит для людей со степенью ампутации от одного до всех пальцев или части кисти до лучезапястного сустава, в связи с этим установка протеза возможна для большего количества людей, по сравнению с аналогами.
Далее решение поясняется ссылками на фигуры, на которых приведено следующее.
Фиг. 1 - общий вид протеза кисти руки.
Фиг. 2 - палец с каналами для тросов.
Фиг. 3 - общий вид протеза кисти руки, работающего за счет движения лучезапястного сустава.
Фиг. 4 - общий вид протеза кисти руки, работающего за счет электромотора.
Фиг. 5 - палец с каналами для резинки.
Фиг. 6 - захват предметов разных форм у протеза с одной формой захвата.
Фиг. 7 - захват предметов разных форм у предлагаемого протеза.
Фиг. 8 - принцип работы системы автоматически адаптируемого захвата.
Фиг. 9 - принцип работы системы автоматически адаптируемого захвата.
Фиг. 10 - механизм поворота большого пальца.
Фиг. 11 - механизм поворота большого пальца.
Фиг. 12 - деталь с каналами.
Фиг. 13 - принцип работы системы автоматически адаптируемого захвата.
Протез включает (Фиг. 1) механическую кисть (1), содержащую ладонь и искусственные пальцы, образованные шарнирно соединенными фалангами, систему автоматически адаптируемого захвата (2), систему поворота большого пальца (3); систему возврата пальца в исходное положение (4), узел натяжения тросов (5), тросы (6), шкивы (7), трос, выходящий из системы автоматически адаптируемого захвата (8).
В предлагаемом протезе используется антропоморфная конструкция привода пальцев. Принцип сгибания пальца такой же, как и у человека, когда мышца сокращается, тянет сухожилие и палец сгибается. Точно также через фаланги проходит трос (6), потянув за который, палец согнется. Фаланги с каналами (9), через которые проходит трос (6). Диаметр каналов немного больше диаметра тросов (на 0,4-1 мм), за счет чего трос в канале идет по определенной траектории и трос имеет непосредственный контакт с фалангами на всем протяжении каналов и в местах соединения фаланг. За счет этого нагрузка от троса передается равномерно всем фалангам, что улучшает захват и увеличивает ресурс работы пальцев.
Функция захвата осуществляется при натяжении троса, выходящего из системы автоматически адаптируемого захвата (8).
Трос может натягиваться за счет движения лучезапястного сустава (26): при наклоне кисти (1) происходит сжатие пальцев, что представляет собой узел натяжения тросов (5). Чем больше угол наклона кисти относительно предплечья (13), тем больше натягиваются тросы (6) и сжимаются пальцы. Положительный эффект заключается в том, что конструкция протеза очень простая и дешевая при том, что есть функциональна возможность захватывать предметы сложной формы, что доступно только дорогим и сложным протезам с электромоторами. Также человек получает обратную связь виде усилия, с которым ему необходимо согнуть лучезапястный сустав при захвате предмета. Таким образом, человек чувствует силу, с который он сжимает предмет захвата и может ее дозировать.
Также функция захвата может осуществляться за счет того, что узел натяжения (5), представляющий собой электромотор (27) натягивает трос, выходящий из системы автоматически адаптируемого захвата (8). Электромотор (27) может располагаться как в кисти (1), так и в предплечье (13). Положительный эффект заключается в том, что благодаря системе автоматического захвата и антропоморфной конструкции пальца для привода всех пальцев можно использовать только один электромотор на все пять пальцев а функциональность будет на уровне протезов с пятью электромоторами (по одному на каждый палец). Это позволяет существенно упростить конструкцию протеза, увеличить надежность и уменьшить его стоимость.
Для возврата пальцев в исходное положение в нижней, средней и верхней фаланге выполнены каналы (12), через которые проходит резинка (10). Когда палец сгибается, резинка натягивается и возвращает палец в исходное положение. Отличительная особенность - это винты (11) в каждой фаланге, которые пережимают резинку. Между винтами образуется три участка резинки а (101), b (102) и с (103). С помощью винтов на каждом участке резинки создается и фиксируется разная степень натяжения. Зависимость натяжения разных участков резинки описывается формулой Fa<Fв<Fc, где Fx - сила натяжения участка «х». Положительный эффект заключается в том, что благодаря разной степени натяжения участков одной резинки, можно настраивать и изменять траекторию движения пальцев, что увеличивает удобство при эксплуатации протеза, его надежность и увеличивает качество захвата.
В предлагаемом протезе используется система автоматически адаптируемого захвата (2), которая автоматически адаптирует захват под форму предмета. С помощью нее, каждый палец работает независимо от остальных. Если форма предмета будет сложной (изогнутой, с резкими перепадами высоты) или предмет будет маленький, то тяговые протезы, которые сейчас используют, не могут их хорошо и надежно захватить и удерживать. Это происходит потому, что угол поворота всех пальцев одинаковый и если, например, один палец упирается в предмет и не может двигаться, то все остальные пальцы тоже перестают двигаться, не войдя в контакт с предметом. С системой автоматической адаптации захвата протез работает как живая рука. Если во время захвата один из пальцев упирается в предмет, то он останавливается, а остальные пальцы продолжаю сгибаться пока не упрутся в предмет. Палец, который уперся в предмет захвата, ждет, когда у всех пальцев будет контакт с предметом и только потом предмет начинают сжимать все пальцы одновременно с одинаковым усилием. Благодаря этому, данным протезом можно захватить и надежно удерживать предмет любой формы. Пример, отражающий отличие работы обычных протезов и протеза с системой автоматической адаптации захвата продемонстрирован на Фиг. 6 и 7.
Принцип работы системы автоматически адаптируемого захвата
Пример работы системы на мизинце и безымянном пальце приведен на Фиг. 8. Сначала натягивается трос «А». Оба пальца будут одинаково сгибаться, пока какой-нибудь палец не встретиться с препятствием и не упрется в предмет захвата. Если продолжать тянуть за трос «А», то шкив или подшипник начнет проворачиваться, трос «В» перестанет вытягиваться из пальца а трос «С» будет вытягиваться из 2 го пальца и 2й палец продолжит сгибаться, пока не упрется в предмет захвата. Если оба пальца уперлись, то они начинают давить с одинаковой силой на предмет захвата.
Вторая пара пальцев (средний и указательный) работают точно также. Пары пальцев соединяются тросом через шкив или подшипник также как и два пальца на примере выше. Затем группа из четырех пальцев соединяется тросом через шкив или подшипник с большим пальцем (Фиг. 1, поз. 2). Из центра последнего шкива или подшипника выходит один трос (Фиг. 1, поз. 8), за который тянет электромотор (Фиг. 4) или который тянется при повороте лучезапястного сустава (Фиг. 3). Вместо шкива или подшипника также может быть использована штанга, пластина с тремя отверстиями (Фиг. 9) или деталь с каналом (Фиг. 12). Деталь с каналом Фиг. 13 - еще один вариант соединения 2х пальцев в группу и групп между собой с помощью тросов. Указанная деталь представляет собой полушар, в котором выполнен канал, причем вход и выход канала выполнены в одной в основании полушара, форма канала представляет собой полукруг (Фиг. 13). Через канал в детали проходит трос от одного пальца к другому (Фиг. 13). Положительный эффект заключается в том, что при соединении шкивов, подшипников, пластин или деталей с каналами гибкими тросами, система становится более компактной и надежной по сравнению с системами на жесткий элементах. Сама система позволяет существенно упростить конструкцию протеза при высоком уровне функциональности. Управление протезом упрощается потому, что система автоматически выбирает захват под форму предмета.
Во всех тяговых протезах положение большого пальца зафиксировано в одной позиции и не может меняться. Но большой палец самый подвижный и сильный палец из пяти на руке. Почти 80% всей моторики руки обеспечивает именно большой палец. Если человек лишается большого пальца, то он не сможет выполнять почти 80% всех захватов и манипуляций с предметами, а если потеряет один из других четырех пальцев, то не сможет выполнять только около 20% манипуляций. Это говорит о том, что протезы, у которых большой палец зафиксирован, могут выполнить в 4 раза меньше захватов разного вида по сравнению с предлагаемым протезом, у которого есть возможность поворачивать большой палец (Фиг. 1).
Механизм поворота большого пальца представлен на Фиг. 10 в общем виде и на Фиг. 11 в двух сечениях (спереди и сбоку). На механической кисти (1) в области основания большого пальца выполнен выступ (17) с осью поворота большого пальца. Ось поворота большого пальца (19) распложена под углом «и» (20) равным от 0° до 70° по отношению к положению кисти (21). На выступ с осью установлено основание большого пальца (18) с зубчиками (25) для фиксации основания большого пальца в разных положениях. На основании большого пальца установлен большой палец (22). Основание большого пальца поворачивается вокруг оси поворота большого пальца. Для того чтобы повернуть основание большого пальца вокруг оси: необходимо нажать кнопку (24), размещенную в полости механической кисти напротив основания большого пальца, вытащить ее из зубчиков основания большого пальца и повернуть на необходимый угол основание большого пальца. После поворота основания большого пальца, необходимо отпустить кнопку и она под воздействием возвратной пружины (23), закрепленной под кнопкой в полости, вернется в исходное положение, вклинится между зубчиками основания большого пальца и заблокирует основание большого пальца в выбранном положении. Положительный эффект заключается в том, что благодаря повороту большого пальца вокруг оси поворота у него появляется дополнительная степень свободы, что приводит к увеличению количества возможных захватов в четыре раза по сравнению с протезами в которых нет возможности повернуть большой палец относительно кисти.