Многофункциональный активный ортез руки
MULTIFUNCTIONAL ACTIVE ARM ORTHOSIS

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к ортезированию. Предложенное устройство многофункционального активного ортеза руки может быть использовано при распространенном вялом параличе мышц предплечья, включая бицепс и трицепс.
Известен аппарат-подвеска («Конструкции протезно-ортопедических изделий». Под ред. к.т.н. А.П. Кужекина. Москва «Легкая и пищевая промышленность». 1984.-240 с., стр.210-211), содержащий подвижный наплечник, охватывающий надплечье, механизм пассивного сгибания предплечья и тросовый механизм.
Недостатком данного устройства являются низкие функциональные возможности, поскольку механизм сгибания предплечья реализован в пассивном исполнении, а тросовый механизм работает за счет движения здоровой конечности. Кроме того управление сгибанием предплечья выполняется в установочном режиме по очереди.
Эти недостатки частично устранены в известном ортопедическом аппарате на всю руку с биоэлектрическим управлением («Технологи протезно-ортопедических изделий». Под ред. к.т.н. А.П. Кужекина. Москва «Легпромбытиздат». 1985.-312 С., стр.294-295.). Данное устройство предназначено для тренировки паретичных мышц.
Это устройство является наиболее близким по функциональной и технической сущности и выбрано авторами в качестве прототипа.
Известное устройство содержит подвижный наплечник, охватывающий надплечье, гильзы плеча и предплечья, механизм кисти с электромеханическим приводом, механизм сгибания предплечья с электромеханическим приводом, систему биоэлектрического управления и блок питания.
Недостатком известного устройства являются низкие функциональные возможности в связи с тем, что активные степени подвижности не имеют постоянной готовности к работе, так как управление активной подвижностью сгибания предплечья и подвижностью пальцев кисти выполняется по очереди в установочном режиме только со зрительным контролем положения отдельных активных звеньев. Поочередное управление активными шарнирами усложняет работу оператора-инвалида и значительно увеличивает время выполнения рабочих операций.
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.
Технический результат поставленной задачи достигается тем, что в многофункциональный активный ортез руки, содержащий механизм кисти с электромеханическим приводом, механизм сгибания предплечья с электромеханическим приводом, гильзы плеча и предплечья, предлагается: ввести электромеханический привод сгибания кисти и электромеханический привод ротации кисти, неподвижный наплечник, фиксируемый на корпусе инвалида, соединенный с гильзой плеча и обеспечивающий свободное перемещение надплечья в сагиттальной плоскости, системы позиционного управления, 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, сгибания предплечья и сгибания кисти. Кроме того, системы управления ротацией кисти и механизмом кисти выполнены независимыми каждая на основе разомкнутого принципа управления с использованием двухканального поворотного задающего датчика с чувствительными элементами в виде комплекта двух контактных выключателей. Каждый канал датчиков разомкнутого управления, ротации кисти и механизма кисти соединены с блоками управления ротацией кисти и механизмом 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 ротации кисти и механизма кисти. При этом на гильзе плеча предлагается закрепить задающие датчики управления сгибанием предплечья, сгибанием кисти и механизмом кисти, причем в исходном положении плеча опущенного вниз задающий датчик сгибания предплечья и задающий датчик сгибания кисти закрепить горизонтально в сагиттальной плоскости, а задающий датчик механизма кисти также закрепить горизонтально, но в области плечевого сустава. При этом задающий датчик ротации кисти закрепить вертикально во фронтальной плоскости также в области плечевого сустава, причем роторы поворотных датчиков сгибания предплечья, сгибания кисти, ротации кисти и механизма кисти каждый неподвижно соединить с первым концом упругих стержней, помещенных в гибкие оболочки. Вторым концом гибкие оболочки упругих стержней датчиков сгибания предплечья, сгибания кисти и механизма кисти закрепить горизонтально в верхней части неподвижного наплечника, а второй конец гибкой оболочки датчика ротации кисти закрепить вертикально во фронтальной части неподвижного наплечника оставив свободными вторые концы упругих стержней.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг.1 представлена структурная схема многофункционального активного ортеза руки, на Фиг.2 представлена конструктивная схема подсоединения роторов поворотных датчиков управления, на Фиг.3 представлена схема размещения датчиков управления на гильзе плеча и вторых концов гибких оболочек с упругими стержнями на неподвижном наплечнике.
Многофункциональный активный ортез руки (Фиг.1) содержит неподвижный наплечник 1, гильзу плеча 2, предплечье 3, исполнительные механизмы сгибания кисти 4, сгибания предплечья 5, ротации кисти 6 и механизм кисти 7, два датчика углов (обратной связи) 8, 9 систем управления сгибанием кисти и сгибанием предплечья с позиционной обратной связью, задающие датчики независимого управления 10, 11 (поворотные двухканальные датчики механизмов кисти и ротации кисти), а также два электронных блока управления систем управления с позиционной обратной связью 12, 13 - сгибанием кисти и сгибанием предплечья, процесс управления в которых инициируется поворотными задающими датчиками 14, 15 и два электронных блока управления 16, 17 независимого управления исполнительными механизмами ротации кисти и кисти.
Каждый блок управления степенью подвижности в предлагаемом устройстве содержит сумматор 18, два импульсных преобразователя 19, 20, усилитель мощности 21 и мотор-редуктор 22, а каждый поворотный датчик (Фиг.2, 3) неподвижно соединен с первым концом упругих стержней 23, помещенных в гибкие оболочки 24, зафиксированные одним концом на гильзе плеча 2, при этом вторые концы гибких оболочек задающих датчиков сгибания предплечья 15 и сгибания кисти 14 закреплены на неподвижном наплечнике, причем вторые концы упругих стержней оставлены свободными. При этом задающий датчик механизма кисти 10 закреплен горизонтально в области плечевого сустава, а задающий датчик ротации кисти 11 вертикально во фронтальной плоскости также в области плечевого сустава. Вторые концы гибких оболочек с упругими стержнями закреплены на неподвижном наплечнике.
Устройство работает следующим образом.
Управление исполнительными механизмами ротации кисти и механизма кисти 6 и 7, входящими в состав многофункционального активного ортеза руки, осуществляется посредством блоков независимого управления 16, 17 по сигналам от датчиков 10, 11, движением надплечья вверх-вниз и вперед-назад. Управление движением сгибания предплечья и сгибания кисти выполняется путем воздействия отведения-приведения плеча с гильзой плеча 2 на задающие датчики 14 и 15, которые инициируют сгибание предплечья и кисти. Таким образом, при отведении плеча происходит сочетанное движение сгибания предплечья и сгибания кисти - сочетанное движение подобное естественному стереотипу во время ориентации руки перед моментом захвата кистью объекта манипулирования. Сгибание и ротация плеча производится естественными движениями аналогично естественным манипуляциям при ориентации руки в рабочей зоне моторного поля. После установки искусственной руки около объекта манипулирования движением надплечья вверх-вниз и вперед-назад включают поворотные контактные датчики 10, 11 механизма кисти и ротации кисти, выполняя ориентацию кисти относительно объекта манипулирования. Манипулирование объектом осуществляется движениями плеча и корпуса инвалида подобно естественному стереотипу компенсаторных движений.
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 сохраненной естественной подвижности плечевого пояса, сочетанного управления звеньями, введением звеньев с позиционной обратной связью и повышением точности координирования движений.
Конструкция предлагаемого устройства позволяет отрабатывать стереотип управления при установке его модели на здоровом операторе или самом разработчике.