ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ДЕМПФЕР ДЛЯ КОЛЕННОГО МОДУЛЯ (ВАРИАНТЫ) И КОЛЕННЫЙ МОДУЛЬ
PNEUMATIC DAMPER FOR KNEE MODULE (VERSIONS) AND KNEE MODULE

Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к области протезирования и к устройствам для гашения механических колебаний, предназначенным для производства искусственных частей тела, в частности нижних конечностей.
Из «Уровня техники» известен пневматический демпфер для коленного модуля (см. патент США №5904721, опубл. 18.05.1999), который включает пневматический цилиндр с верхней и нижней крышками и поршень, формирующий штоковое и подпоршневое пространства, соединенные каналом через клапаны и регулировочные дроссели. При этом подпоршневое пространство содержит пружину.
Основными недостатками данного пневматического демпфера является то, что данный модуль можно настроить только на определенный темп ходьбы. Накопление энергии пружиной голенооткидного устройства происходит по квадратичному закону от перемещения. Причем из-за ограниченных габаритов, соизмеримых размеров пружины и хода поршня это накопление происходит в зоне сильной нелинейности. Рассеивание энергии на дросселях примерно пропорционально перемещению поршня.
Кроме того, из патента США №5904721, опубл. 18.05.1999, известен коленный модуль, включающий верхнюю часть сустава, нижнюю часть сустава, шарнирную ось, поворотно-связывающую указанные части сустава и демпфирующее устройство. При этом в качестве демпфирующего устройства коленный модуль включает пневматический демпфер, который содержит пневматический цилиндр с верхней и нижней крышками, и поршень, формирующий штоковое и подпоршневое пространства, соединенные каналом через клапаны и регулировочные дроссели. Подпоршневое пространство цилиндра содержит пружину. Поддержание рабочего давления в пневматическом демпфере осуществляют путем подсоединения к обратному клапану насоса с манометром и корректировки давления до необходимой величины.
Основными недостатками данного пневматического демпфера является нестабильность характеристик. Из-за утечек воздуха в процессе эксплуатации пациенту приходится с помощью внешнего насоса с манометром периодически контролировать давление воздуха в цилиндре и поддерживать его. Кроме того, из-за ограниченных габаритов, соизмеримых размеров пружины и хода поршня накопление энергии пружиной голенооткидного устройства происходит примерно пропорционально квадрату перемещения поршня, а рассеивание энергии на дросселях - пропорционально перемещению поршня. Это обстоятельство позволяет оптимально настроить коленный модуль только для определенного темпа ходьбы.
Задачей заявленной группы изобретений является устранение вышеуказанных недостатков.
Обобщенный технический результат заключается в повышении стабильности характеристик устройств, улучшении их эксплуатационных характеристик без использования дополнительных внешних средств (насоса). Функции голенооткидного устройства выполняют сами цилиндры, без использования пружин. Внутреннее давление выталкивает шток из цилиндра. Диаметр штока и номинальное давление в цилиндре выбирались исходя из условий обеспечения голенооткидным устройством оптимальных биомеханических характеристик. Так как объем штока внутри цилиндра значительно меньше самого объема цилиндра, то накопленная голенооткидным устройством энергия примерно пропорционально перемещению поршня и всегда пропорциональна рассеянной энергии на дросселе, что обеспечивает высокую адаптацию к темпу ходьбы.
Технический результат обеспечивается тем, что пневматический демпфер для коленного модуля по первому варианту содержит цилиндр с верхней и нижней торцевыми крышками, поршень, формирующий штоковое и подпоршневое пространства в цилиндре, и канал, соединяющий через запорную и регулировочную арматуру штоковое пространство с подпоршневым. При этом верхняя крышка выполнена выступающей во внутреннюю полость цилиндра и снабженной эластичным клапаном, а в поршне выполнена проточка, обеспечивающая взаимодействие поршня с выступающей во внутреннюю полость цилиндра крышкой. Шток поршня выполнен полым и соединяющим штоковое пространство цилиндра с внешней средой через клапан, выполненный в штоке. При этом указанный шток имеет на конце серьгу 22, обеспечивающую возможность подсоединения к ней насоса и корректировки давления внутри цилиндра. Сам цилиндр выполнен с возможностью поддержания стабильного рабочего давления пневматического демпфера выше атмосферного давления.
Технический результат обеспечивается тем, что пневматический демпфер для коленного модуля по второму варианту содержит цилиндр с верхней и нижней торцевыми крышками, поршень, формирующий штоковое и подпоршневое пространства в цилиндре, и канал, соединяющий через запорную арматуру штоковое пространство с подпоршневым. Верхняя крышка содержит вставку с проточкой, обеспечивающей заход поршня в нее. При этом поршень снабжен эластичным клапаном, а шток поршня выполнен полым и соединяющим штоковое пространство цилиндра с внешней средой через клапан. При этом указанный шток имеет на конце серьгу 22, обеспечивающую возможность подсоединения к ней насоса и корректировки давления внутри цилиндра. Сам цилиндр выполнен с возможностью поддержания стабильного рабочего давления выше атмосферного.
Установка шайбы 25 между штуцером 23 и серьгой 22 различной толщины позволяет менять положение верхней мертвой точки (ВМТ) и степень расширения в малом цилиндре. При движение малого поршня 2 вверх повышение давления в полости А выравнивается с давлением в полости В через клапан 10. При обратном ходе поршня происходит разрежение давления. Если рабочее давление в полости В меньше установленного, то при движении поршня вниз давление в полости А падает ниже атмосферного. В этом случае в полость А поступает дополнительный атмосферный воздух через клапан 12 до момента пока полости А и В не объединятся. Если давление в полости В равно номинальному давлению, клапан 12 не открывается.
Технический результат обеспечивается также тем, что коленный модуль, включает верхнюю часть сустава, нижнюю часть сустава, шарнирную ось, поворотно-связывающую указанные части сустава и демпфирующее устройство. При этом в качестве демпфирующего устройства коленный модуль содержит заявленный пневматический демпфер для коленного модуля, который выполнен с возможностью регулировки рабочего давления в цилиндре посредством описанного выше способа.
Сущность настоящей группы изобретений поясняется следующими иллюстрациями:
на фиг.1  представлен пневматический демпфер по первому варианту с нижним положением поршня, продольный разрез;
на фиг.2  представлен пневматический демпфер по первому варианту с верхним положением поршня; продольный разрез;
на фиг.3  представлен пневматический демпфер по второму варианту с нижним положением поршня, продольный разрез;
на фиг.4  представлен пневматический демпфер по второму варианту с верхним положением поршня, продольный разрез;
на фиг.5  отображена принципиальная пневматическая схема второго варианта пневматического демпфера.
Пневматический демпфер по первому варианту включает цилиндр 1, который в коленном модуле ориентируют вертикально. Цилиндр 1 выполнен с верхней и нижней торцевыми крышками 2, 3. Также демпфер содержит поршень 4, формирующий штоковое и подпоршневое пространства в цилиндре 1, и канал 5 в виде внешней трубки, соединяющей через запорную и регулировочную арматуру штоковое пространство с подпоршневым. При этом верхняя и нижняя крышки 2, 3 цилиндра имеют отверстия в виде сквозных каналов 6, 7, соединяющие через запорную арматуру штоковое и подпоршневое пространства с каналом 5. Запорная и регулировочная арматура установлена в патрубках 8, 9, присоединенных к крышкам 2, 3 и соединенных друг с другом каналом 5, и выполнена в виде двух клапанов и дросселей. Кроме того, верхняя крышка 2 выполнена выступающей во внутреннюю полость цилиндра 1 и образующей неподвижный поршень, на котором выполнен кольцевой эластичный клапан 10. В поршне 4 выполнена проточка, обеспечивающая взаимодействие поршня 4 с выступающей во внутреннюю полость цилиндра крышкой 2. На поршне 2 находится клапан 10, перепускающий воздух из полости А в полость В, если давление в полости А больше 5 атм. Шток 11 поршня 4 выполнен полым и соединяющим штоковое пространство цилиндра 1 с внешней средой через кольцевой эластичный клапан 12, выполненный в штоке 11. Кроме того, к концу штока 11 присоединена серьга 22, обеспечивающая, при необходимости, возможность подсоединения к ней насоса для быстрой корректировки давления в объеме цилиндра 1.
Пневматический демпфер по второму варианту включает цилиндр 13, который в коленном модуле ориентируют вертикально. Цилиндр 13 выполнен с верхней и нижней торцевыми крышками 14, 15. При этом верхняя крышка снабжена вставкой 16. Также демпфер содержит поршень 17 с клапаном 10, формирующий штоковое и подпоршневое пространства в цилиндре 13, и канал 18 в виде внешней трубки, соединяющей через запорную и регулировочную арматуру штоковое пространство с подпоршневым. При этом верхняя и нижняя крышки 14, 15 цилиндра имеют отверстия в виде сквозных каналов, соединяющие через запорную и регулировочную арматуру 19 штоковое и подпоршневое пространства с каналом 18. Запорная и регулировочная арматура 19 установлена в нижней части цилиндра и включает два шаровых клапана и два дросселя. Во вставке 16 выполнена проточка, в которую заходит верхняя часть поршня 17. Шток 20 поршня 17 выполнен полым и имеет каналы 21. Кроме того, к концу штока 20 присоединена серьга 22, обеспечивающая, при необходимости, возможность подсоединения к ней насоса для быстрой корректировки давления в объеме цилиндра 13. Устройство содержит эластичный клапан 24.
Предложенное техническое решение по первому варианту функционирует следующим образом.
Предложенный пневматический демпфер используют в составе коленных механизмов протеза бедра, при этом устройство ориентируют вертикально. Настоящее устройство работает под повышенным атмосферным давлением порядка 5 атм. При разгибании ноги поршень 4 переходит в верхнее положение и взаимодействует с выступающей внутрь цилиндра верхней крышкой 2. Это приводит к повышению давления в полости А. Давление в полости А выравнивается с давлением в полости В через эластичный клапан 10, выполненный в выступающей в цилиндр 1 верхней крышке 2. При давлении менее 5 атм эластичный клапан 10, выполненный в крышке 2, не открывается.
При этом полость В - это общий объем цилиндра 1, разделенный поршнем 14 на штоковое и подпоршневое пространства, соединенные каналом 5 в виде трубки и запорной арматуры в виде пары шаровых клапанов и дросселей. Полость А образуется при разгибании ноги и движении поршня 4 вверх с заходом выступающей крышки 2 в полость поршня 4, образованную проточкой.
При движении поршня 4 из верхнего положения вниз (от верхней 2 крышки к нижней 3) в полости А возникает разрежение воздуха меньше 1 атм в нижнем положении поршня, если давление в полости В менее 5 атм. Клапан 12, выполненный в штоке 11, открывается и в полость А через полый шток 11 попадет воздух из окружающей среды. Если давление более или равно 5 атм, воздух из окружающей среды через клапан 12 не поступает.
При перемещении поршня 4 воздух движется по разным траекториям. При движении поршня 4 вниз воздух из подпоршневого пространства поступает в канал 5 через шаровой клапан патрубка 9, а затем в штоковую полость через дроссель патрубка 8. При движении поршня 4 вверх воздух из штоковой полости в канал 5 проходит через клапан патрубка 8, а в подпоршневую полость поступает через дроссель патрубка 9.
Таким образом, дросселем в патрубке 8 регулируется движение коленного модуля при сгибании ноги, а дросселем в патрубке 9 - при разгибании.
Клапан 12, соединяющий меньший цилиндр с внешней средой, открывается только при давлении в полостях А и В менее 5 атм и при возникновении разрежения в полости А менее 1 атм, образующемся при движении штока вниз.
На конце штока 11 выполнена серьга 22, снабженная каналами и средством, обеспечивающим подсоединение насоса для корректировки давления в полости цилиндра 1. Такая подкачка может быть осуществлена в процессе протезирования до использования автоматической подкачки. При этом в серьгу 22 может быть ввинчен наконечник насоса, и протезист осуществит подкачку.
Предложенное техническое решение по второму варианту функционирует следующим образом.
Предлагаемое устройство работает под повышенным атмосферным давлением порядка 5 атм. При разгибании ноги поршень 17 переходит в верхнее положение и заходит в полость вставки 16, размещенной в крышке 14. Это приводит к повышению давления в полости вставки 16. Давление в полости А выравнивается с давлением в полости В через эластичный клапан 10, выполненный в верхней части поршня 17, к которой присоединен шток 20. При давлении 5 атм эластичный клапан 10 не открывается.
При этом полость В - это общий объем цилиндра 13, разделенный поршнем 17 на штоковое и подпоршневое пространства, соединенные каналом 18 в виде трубки и запорной и регулировочной арматуры 19 в виде двух клапанов и дросселей. Полость А образуется при разгибании ноги и движении поршня 17 с заходом в проточку вставки 16.
При движении поршня 17 из верхнего положения вниз (от верхней 14 крышки к нижней 15) в полости А возникает разрежение воздуха меньше 1 атм. Эластичный клапан 24, выполненный в штоке 20, открывается только в том случае, если давление в полостях А и В в верхнем положении поршня 17 менее 5 атм. При этом в объем цилиндра 13 через полый шток 20 и каналы 21 попадет воздух из окружающей среды. Если давление более или равно 5 атм, воздух из окружающей среды через клапан 24 не поступает.
При перемещении поршня 17 воздух движется по разным траекториям. При движении поршня вниз воздух из подпоршневого пространства поступает в канал 18 через шаровой клапан, а затем в штоковую полость через дроссель. При движении поршня 17 вверх воздух из штоковой полости в канал 18 проходит через шаровой клапан, а в подпоршневую полость поступает через дроссель.
На конце штока 20 выполнена серьга 22, снабженная каналами и средством, обеспечивающим подсоединение насоса для корректировки давления в полости цилиндра 13. Такая подкачка может быть осуществлена в процессе протезирования до использования автоматической подкачки. При этом в серьгу 22 может быть ввинчен наконечник насоса, и протезист осуществит подкачку. В этом случае эластичный клапан 24 в штоке 20 отжимается, и воздух через каналы 21 поступает в объем цилиндра 13.
На 1 фиг.5 отображена пневматическая схема второго варианта настоящего устройства.
При перемещении поршня воздух движется по разным траекториям. При движении поршня вниз воздух из подпоршневого пространства поступает в канал через первый клапан, а затем в штоковую полость через второй дроссель. При движении поршня вверх воздух из штоковой полости в канал проходит через второй клапан, а в подпоршневую полость поступает через первый дроссель.
Таким образом, одним дросселем регулируется движение коленного модуля при сгибании ноги, а другим дросселем  - при разгибании.
Предложенное устройство может использоваться в течение 3 лет или 3 млн циклов без ухудшения его эксплуатационных характеристик. Для достижения номинального давления внутри цилиндра, после длительного хранения, необходимо пройти 300-400 двойных шагов. Для ускорения ввода устройства в эксплуатацию предусмотрена возможность использование насоса с манометром. В процессе эксплуатации необходимость использования дополнительных устройств отсутствует.