БИОНИЧЕСКИЙ ПРОТЕЗ КИСТИ РУКИ

Полезная модель относится к области протезирования, конкретнее к области искусственных кистей рук.
Известен протез кисти руки с основанием, на котором, по меньшей мере, один пальцевый протез шарнирно установлен с возможностью движения вокруг, по меньшей мере, одной оси поворота посредством привода, соединенного с ним через устройство для передачи усилий. Устройство для передачи усилий выполнено между приводом и пальцевым протезом жестким на растяжение и податливым при нажиме. Устройство для передачи усилий содержит тросовый или волокнистый компонент или прядь, а также опорные втулки для размещения осей, приданных основанию кисти и пальцевому протезу. Оси поворота опорных втулок перпендикулярны относительно друг друга [патент РФ №2416379, A61F 2/54, 07.12.2006].
Недостатками аналога являются высокие массогабаритные показатели, невысокая надежность, обусловленная наличием большого количества механических звеньев, подверженных износу.
Известна механическая кисть, которая содержит 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 удержания 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 [патент РФ №22451120, A61F 2/56, 02.09.2002].
Недостатками аналога являются высокие массогабаритные показатели, обусловленные наличием сложной механической системой, и отсутствие электроприводов, позволяющих осуществлять перемещения пальцев кисти руки.
Известен протез кисти руки, характеризующийся тем, что включает 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 [патент РФ №160806, A61F 2/54, 05.10.2015].
Недостатками аналога являются невысокая надежность, обусловленная наличием системы тросов, подверженных износу и дальнейшему обрыву, и ограниченные возможности перемещения пальцев искусственной кисти, обусловленные перемещением всех пальцев за счет одного электродвигателя.
Известен кистевой протез, который содержит основание и соединительные элементы для закрепления кистевого протеза на культе руки, а также, по меньшей мере, один шарнир для сгибания и разгибания кистевого протеза относительно соединительных элементов. Основание удерживается в нейтральном положении против усилия пружины. Основанию придан, по меньшей мере, один пружинящий элемент, имеющий прогрессивную характеристику и по мере увеличения угла сгибания или разгибания создающий возрастающее ответное усилие [патент РФ №2423952, A61F 2/58, 21.12.2006].
Недостатками аналога являются невысокая надежность, обусловленная применением пружин для осуществления перемещений пальцев, и ограниченные возможности перемещения пальцев кисти, обусловленные отсутствием системы управления и электроприводов для осуществления перемещений.
Известен модульный бионический протез руки, который предназначен для протезирования инвалидов с частично ампутированной кистью и с сохранением части пальцев. Бионический протез руки содержит культеприемное устройство ладони пользователя с полой эластичной перчаткой, гибкий браслет управления протезом, модули пальцев, интерфейсы для приема биоэлектрических сигналов управления, сетевые интерфейсы для проводной и беспроводной коммуникации с внешними устройствами, средства ввода-вывода отображения и настройки функций протеза, устройство электропитания. Микроконтроллер управления протезом обрабатывает поступающие биоэлектрические сигналы управления в соответствии с заданными параметрами алгоритма обработки. Протез имеет режимы управления с различными шаблонами схватов. Сгибание-разгибание каждого пальца производят приводные системы модулей пальцев. Каждый палец занимает свое положение по форме удерживаемого предмета с контролем сигнала сенсоров обратной связи [патент РФ №192333, A61F 2/54, 17.14.2019].
Недостатками аналога являются высокая масса и невысокое быстродействие, обусловленные многокомпонентностью и сложностью системы управления протеза кисти руки.
Известен электромеханический протез кисти для протезирования руки, который на уровне предплечья содержит корпус, приемную гильзу, каркасы первого, второго, третьего, четвертого пальцев и пятый палец, выполненный в виде упругого звена, и механизм движения кисти с микроэлектроприводами. Каркас первого пальца закреплен на первой оси вращения, каркас третьего пальца и каркас четвертого пальца закреплены на второй оси вращения. Первая ось вращения и вторая ось вращения крепятся неподвижно в корпусе. Каркас второго пальца закреплен в каркасе третьего пальца при помощи третьей оси вращения. Каркас четвертого пальца и пятый палец выполнены в виде единого блока, в котором облицовка каркаса четвертого пальца выполнена за одно целое с облицовкой пятого пальца. Механизм движения кисти выполнен в виде механизма схвата, механизма отведения и механизма ротации. Механизм схвата выполнен в виде первого микроэлектропривода, снабженного микроконтроллером механизма схвата и исполнительным органом механизма схвата первого, второго и третьего каркасов пальцев. Первый микроэлектропривод и микроконтроллер механизма схвата расположены в корпусе механизма схвата, при этом корпус механизма схвата жестко крепится в корпусе. Механизм отведения выполнен в виде второго микроэлектропривода, закрепленного на каркасе третьего пальца и снабженного микроконтроллером механизма отведения и исполнительным органом механизма отведения второго от третьего каркаса пальцев. Микроконтроллер механизма отведения расположен на корпусе механизма схвата, а механизм ротации выполнен в виде третьего микроэлектропривода, снабженного микроконтроллером механизма ротации и исполнительным органом механизма ротации кисти. Третий микроэлектропривод и микроконтроллер механизма ротации закреплены внутри корпуса механизма ротации. Приемная гильза закреплена на корпусе механизма ротации, причем корпус механизма ротации жестко прикреплен к корпусу. Все три микроэлектропривода связаны с системой управления кистью, закрепленной на блоке автономного питания, размещенном на корпусе механизма ротации и снабженном устройством управления блоком автономного питания. На приемной гильзе установлены электроды съема сигнала мышечной активности, связанные с системой управления кистью, которая связана с микроконтроллером механизма схвата, микроконтроллером механизма отведения и микроконтроллером механизма ротации.
Недостатками аналога являются высокая масса, обусловленная многокомпонентностью протеза кисти, невысокое быстродействие и невысокая надежность, обусловленные многокомпонентностью и сложностью системы управления протеза кисти руки.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является бионический протез кисти руки, содержащий электромеханическую кисть, ладонь, шарнирно соединенные с ней пальцы, систему управления протезом и системы сгибания первого-пятого пальцев, каждая из которых включает в себя электроприводы с червячной передачей, при этом система управления протезом выполнена в виде микропроцессорной системы и включает в себя микроконтроллер управления протезом и соединенным с ним управляющие драйверы электроприводов систем сгибания пяти пальцев, датчики угла сгибания пяти пальцев, тензометрические датчики усиления схвата, датчики смещения поверхности удерживаемого протезом предмета, привод устройства блокировки поворотного основания первого пальца, сетевые интерфейсы для проводной и беспроводной коммуникации с внешними устройствами, интерфейсы для приема биоэлектрических сигналов управления, средства ввода-вывода отображения и настройки функций протеза, устройство электропитания [патент РФ №176303, A61F 2/54, 11.07.2017].
Недостатками ближайшего аналога являются высокие массогабаритные показатели, обусловленные использованием червячных передач для сгибания каждого пальца, и невысокая надежность, обусловленная сложной конструкцией системы управления протеза кисти руки.
Задача полезной модели - снижение массы протеза кисти руки.
Технический результат предлагаемой протезной модели - повышение надежности протеза кисти руки за счет усовершенствования средства управления бионической кисти.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается бионическим протезом кисти руки, содержащим электромеханическую кисть, ладонь, шарнирно соединенные с ней первый, второй, третий, четвертый, пятый пальцы, электроприводы сгибания пальцев и средство управления, включающее микроконтроллер, соединенные с ним управляющие драйверы электроприводов сгибания пальцев, интерфейсы для приема биоэлектрических сигналов управления, сетевые интерфейсы для проводной и беспроводной коммуникации с внешними устройствами, средства ввода-вывода отображения и настройки функций протеза, датчики угла сгибания пальцев, тензометрические датчики усилия схвата, устройство электропитания, блок обработки входного сигнала, отличающимся тем, что средство управления содержит блок согласования уровней напряжения, с которым соединен блок обработки входного сигнала и который соединен с микроконтроллером, причем блок согласования уровней напряжения выполнен с возможностью разделения отфильтрованного и усиленного входного сигнала на две составляющие, одна из которых поступает на микроконтроллер через операционный усилитель, где инвертируется, диод и оптопару.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена функциональная схема средства управления бионическим протезом руки.
Бионический протез кисти руки со средством управления состоит из блока обработки входного сигнала 1, блока согласования уровней напряжения 2, микроконтроллера 3, драйверов 4. электроприводов 5. первого пальца 6, второго пальца 7, третьего пальца 8, четвертого пальца 9. пятого пальца 10, датчиков угла положения пальцев 11, датчиков давления 12, устройства электропитания 13 и интерфейса 14 для беспроводной коммуникации с внешними устройствами.
Блок обработки входного сигнала 1 электрически соединен с блоком согласования уровней напряжения 2. Блок обработки 1 содержит в себе не электрический аппарат экстренного отключения. Блок согласования уровней напряжения 2 электрически соединен с микроконтроллером 3. Микроконтроллер 3 электрически соединен с драйверами 4 и интерфейсом для беспроводной коммуникации с внешними устройствами 14. Драйверы 4 электрически соединены с электроприводами 5. Электроприводы 5 механически соединены с первым пальцем 6, вторым пальцем 7, третьим пальцем 8, четвертым пальцем 9 и пятым пальцем 10. На первом пальце 6, втором пальце 7, третьем пальце 8. четвертом пальце 9 и пятом пальце 10 механически закреплены датчики угла сгибания пальцев 11 и датчики давления 12. Датчики угла сгибания пальцев 11 и датчики давления 12 электрически соединены с микроконтроллером 3. Устройство электропитания 13 электрически соединено с блоком обработки входного сигнала 1, блоком согласования уровней напряжения 2, микроконтроллером 3, драйверами 4, электроприводами 5, датчиками угла сгибания пальцев 11, датчиками давления 12 и интерфейсом для беспроводной коммуникации с внешними устройствами 14. Блок обработки входного сигнала 1, блок согласования уровней напряжения 2. микроконтроллер 3, драйверы 4, устройство электропитания 13 и интерфейс для беспроводной коммуникации с внешними устройствами 14 механически прикреплены к неэлектропроводящему корпусу.
Бионический протез кисти руки со средством управления функционирует следующим образом. На блок обработки входного сигнала 1 поступают электрические входные сигналы от периферической нервной системы человека. В блоке обработки входного сигнала 1 поступающие входные сигналы фильтруются от шумов и усиливаются. Из блока обработки 1 входной сигнал поступает в блок согласования уровней напряжения 2. В блоке согласования уровней напряжения отфильтрованный и усиленный входной сигнал разделяется на две равные составляющие. Одна из составляющих проходит через диод VD1 и через систему, включающую в себя оптопару положительной полуволны, поступает на микроконтроллер 3. Другая составляющая проходит через операционный усилитель, где инвертируется, после чего проходит через диод VD2 и через систему, включающую в себя оптопару отрицательной полуволны, попадает на микроконтроллер 3. Микроконтроллер 3 обрабатывает сигналы, поступающие из блока согласования уровней напряжения 2. и формирует сигналы управления для драйверов 4. Микроконтроллер 3 подает сигналы управления на драйверы 4 только того электропривода 5 или только тех электроприводов 5. которые необходимо привести в движение. Драйверы 4 преобразуют сигналы управления от микроконтроллера 3 в сигналы управления электроприводами 5. Электроприводы 5 приходят в движение после поступления сигналов управления от драйверов 4. Направление и величина перемещения рабочего органа электроприводов 5 зависит от полярности и величины сигнала управления электроприводами, поступающего с микроконтроллера 3 через драйверы 4. Перемещение рабочих органов различных электроприводов 5 может происходить на разную величину в зависимости от того, какие сигналы управления поступают на соответствующие электропривода 5 от драйверов 4. Механическое движение рабочих органов электроприводов 5 передается к первому пальцу 6, второму пальцу 7, третьему пальцу 8. четвертому пальцу 9 и пятому пальцу 10, в результате чего первый палец 6, второй палец 7. третий палец 8, четвертый палец 9 и пятый палец 10 приводятся в движение. Движение электроприводов 5 прекращается после прекращения подачи сигналов управления от драйверов 4. При этом первый палец 6. второй палец 7, третий палец 8, четвертый палец 9 и пятый палец 10 фиксируются в необходимом положении. Необходимое и текущее положение первого пальца 6. второго пальца 7, третьего пальца 8, четвертого пальца 9 и пятого пальца 10 определяется микроконтроллером 3 в зависимости от сигналов, поступающих от датчиков угла сгибания пальцев 11. Силы давления первого пальца 6. второго пальца 7. третьего пальца 8, четвертого пальца 9 и пятого пальца 10 определяются микроконтроллером 3 в зависимости от сигналов датчиков давления 12. Микроконтроллер 3 перестает подавать сигнал на драйверы 4 после получения необходимых сигналов от датчиков угла сгибания пальцев 11 и датчиков давления 12. Устройство электропитания 13 обеспечивает электрическое питание блока обработки входного сигнала 1. блока согласования уровней напряжения 2, микроконтроллера 3, драйверов 4, электроприводов 5. датчиков угла сгибания пальцев 11, датчиков давления 12 и интерфейса для беспроводной коммуникации с внешними устройствами 14. Интерфейс для беспроводной коммуникации с внешними устройствами 14 обеспечивает связь бионического протеза кисти руки с внешним устройством, на котором может отображаться информация о состоянии бионического протеза кисти руки и об уровне заряда устройства электропитания 13. На блоке обработки входного сигнала 1 расположена механическая кнопка. В случае, если пациент почувствовал удары током со стороны бионического протеза кисти руки либо фантомные боли - при нажатии на механическую кнопку, расположенную в устройстве электропитания 13, срабатывает неэлектронный аппарат экстренного отключения, который механически отсоединяет устройство электропитания 13 от блока обработки входного сигнала 1, блока согласования уровней напряжения 2, микроконтроллера 3, драйверов 4, электроприводов 5, датчиков угла сгибания пальцев 11, датчиков давления 12 и интерфейса для беспроводной коммуникации с внешними устройствами 14; механически отсоединяет бионический протез кисти руки от культи пациента.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет снизить массу протеза кисти руки, а также повысить надежность протеза кисти руки за счет введения в систему управления блока согласования уровней напряжения.