БИОНИЧЕСКИЙ ПРОТЕЗ КИСТИ РУКИ

Настоящая полезная модель относится к области медицинской техники, а именно к управляемым протезам кисти руки.
Предлагаемый протез предназначен для детей и взрослых со степенью ампутации от кисти до предплечья.
Из существующего уровня техники известен протез кисти руки, который 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. RU 160806, 05.10.2015, A61F 2/54.
Недостатками известного устройства являются:
1) применение тросовых тяг, что влечет за собой быстрый износ тросов и стенок каналов из-за взаимного трения при эксплуатации протеза в случае применения тросов из металла, отсутствие возможности точного позиционирования пальцев вследствие постепенной растяжки тросов из неметаллических материалов;
2) применение резинок в каналах фаланг пальцев для реализации механизма раскрытия кисти, что снижает надежность эксплуатации протеза из-за возможной утраты резинками первоначальной целостности и свойств упругости с течением времени, либо под воздействием внешних факторов, таких, как температура окружающего воздуха;
3) использование узла натяжения тросов, располагающегося за основанием кисти, что сокращает область применения протеза из-за невозможности крепления основания кисти непосредственно к культеприемной гильзе;
4) невозможность жесткой фиксации пальцев протеза кисти в положении схвата;
5) отсутствие системы, предотвращающей выскальзывание удерживаемого протезом предмета;
6) отсутствие возможности выполнения видов схвата, при которых пальцы протеза управляются и сгибаются независимо друг от друга, например, схвата для управления компьютерной мышью.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является протез кисти, содержащий приемную гильзу, корпус, каркасы первого пальца, второго-четвертого пальцев, приводную систему функции подвижности «схват-раскрытие кисти», шарнир сгибания в лучезапястном сочленении и манжету на предплечье, отличающийся тем, что в него введены три потенциометра, три преобразователя сигнала, сумматор, два функциональных преобразователя и четыре усилителя мощности, при этом приводная система выполнена в виде четырех индивидуальных микроэлектроприводов пальцев, неподвижно закрепленных на каркасах первого-четвертого пальцев и соединенных с их исполнительными механизмами, при этом приемная гильза шарнирно закреплена в корпусе с возможностью приведения-отведения, неподвижно соединена с ротором первого потенциометра и шарнирно упруго соединена с подпружиненным рычагом, который соединен со статором первого потенциометра, при этом подпружиненный рычаг посредством шатуна, снабженного сферическими шарнирами, соединен с каркасом второго пальца, кроме того, первый потенциометр соединен с первым-третьим преобразователями сигнала, каждый из которых соответственно последовательно соединен с первым-третьим усилителями мощности, первым-третьим приводом и исполнительными механизмами второго-четвертого пальцев, причем каркас второго пальца неподвижно соединен с ротором второго потенциометра, статор которого закреплен на корпусе, причем каркас первого пальца неподвижно соединен с ротором третьего потенциометра, статор которого также закреплен на корпусе устройства, при этом второй и третий потенциометры соединены с сумматором, который соединен с первым и вторым функциональными преобразователями, последовательно соединенными с четвертым усилителем мощности, четвертым приводом и исполнительным механизмом первого пальца, а пятый палец выполнен в виде упругого звена, при этом каждый исполнительный механизм первого-четвертого пальцев выполнен в виде червячной передачи, червяк которой неподвижно соединен с выходным валом привода, причем червячное колесо неподвижно закреплено на корпусе, а каркас пальца шарнирно соединен с осью червячного колеса. RU 2506931, 03.05.2012, A61F 2/56.
Недостатками известного устройства являются:
1) отсутствие разделения пальцев протеза кисти на соединенные между собой фаланги, что снижает естественность выполнения процедуры сгибания пальцев и функциональные возможности использования протеза;
2) отсутствие отдельного привода пятого пальца протеза кисти, выполненного в виде упругого звена, что снижает функциональные возможности использования протеза;
3) размещение приводов пальцев протеза внутри каркасов соответствующих пальцев относит центр массы протеза кисти от ладони к фалангам пальцев, что неблагоприятным образом сказывается на удобстве длительного использования протеза кисти оператором;
4) использование отведения и приведения в лучезапястном суставе оператора для управления протезом кисти, что делает данное решение неприменимым в случае вычленений запястья и выше;
5) применение ограничения тока нагрузки двигателей для самоустановки пальцев при схвате объекта сложной формы, что приводит к выполнению схвата объекта с максимальным усилием, определяемым создаваемым при блокировке валов двигателей моментом силы и не позволяет оператору протеза выполнять схват хрупких или легко деформирующихся предметов;
6) одна степень свободы первого пальца и его фиксация в противопоставленном второму пальцу положении, что снижает удобство пользования протезом в некоторых ситуациях, требующих для осуществления схвата отведенного от ладони первого пальца;
7) отсутствие микропроцессорного управления, что ограничивает функциональные возможности протеза кисти одним видом схвата, не позволяет управлять сгибанием отдельных пальцев независимо друг от друга и выполнять гибкую настройку параметров функционирования протеза.
8) отсутствие системы, предотвращающей выскальзывание удерживаемого протезом предмета.
Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается в устранении недостатков и расширении перечня известных устройств в данной области, применимости при различных случаях ампутаций верхних конечностей, а так же в повышении удобства пользования протезом путем расширения функциональных возможностей устройства, таких как возможность удержания предметов сложной формы и различной прочности, возможность реализации дополнительных шаблонов схватов протеза.
Данная задача достигается за счет того, что бионический протез кисти руки, включающий в себя узел крепления протеза, электромеханическую кисть, содержащую 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, причем узел крепления протеза выполнен в виде неподвижно закрепленного на основании электромеханической кисти крепежного разъема и соединенного с ним ответного разъема, неподвижно закрепленного на основании культеприемной гильзы, первый палец содержит шарнирно-соединенное с ладонью и снабженное устройством блокировки поворотное основание, шарнирно соединенную с поворотным основанием первую фалангу, шарнирно соединенную с первой фалангой вторую фалангу, а также жесткую тягу, концы которой шарнирно закреплены на второй фаланге и поворотном основании первого пальца, а второй-пятый пальцы содержат попарно соединенные шарнирами первую, вторую, третью фаланги и две жесткие тяги, концы которых шарнирно закреплены на второй и третьей фалангах, на второй фаланге и основании второго-пятого пальцев ладони соответственно, причем электроприводы систем сгибания первого и второго-пятого пальцев с неподвижно закрепленными на валу червяками неподвижно размещены внутри поворотного основания первого пальца и ладони соответственно, а червячные колеса первого-пятого пальцев неподвижно соединены с первыми фалангами соответствующих пальцев, при этом система управления протезом выполнена в виде микропроцессорной системы и включает в себя микроконтроллер управления протезом и соединенные с ним управляющие драйверы электроприводов систем сгибания пяти пальцев, датчики угла сгибания пяти пальцев, тензометрические датчики усилия схвата, датчик 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, причем микроконтроллер управления протезом, управляющие драйверы, соединенные с электроприводами систем сгибания пяти пальцев, привод устройства блокировки поворотного основания первого пальца, сетевые интерфейсы для проводной и беспроводной коммуникации с внешними устройствами, интерфейсы для приема биоэлектрических сигналов управления и устройство электропитания неподвижно размещены внутри ладони, статоры датчиков угла сгибания пяти пальцев неподвижно размещены на основаниях пальцев, при этом валы роторов датчиков неподвижно закреплены на червячных колесах первых фаланг соответствующих пальцев, тензометрические датчики усилия схвата неподвижно размещены на второй фаланге первого пальца и третьих фалангах второго-пятого пальцев, а датчик смещения поверхности удерживаемого протезом предмета и средства ввода-вывода отображения и настройки функций протеза размещены на поверхности ладони.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является возможность применения протеза при различных случаях ампутаций с выполнением различных шаблонов надежных и точных схватов удерживаемого предмета с применением антропоморфного принципа сгибания трех фаланг второго-пятого пальцев и сгибания двух фаланг первого пальца с возможностью выбора и фиксации его степени приведения к ладони протеза, причем каждый палец занимает свое положение исходя из формы удерживаемого предмета с контролем степени давления на его поверхность, с ограничением силы тока в приводе, с определением момента начала выскальзывания удерживаемого предмета и своевременного усиления силы схвата для предотвращения выскальзывания, а так же возможность биоэлектрического управления с детальной настройкой и отображение параметров работы протеза с помощью локальных и внешних средств ввода-вывода.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено следующее.
Фиг. 1 - общий вид бионического протеза кисти руки.
Фиг. 2 - вид второго-пятого пальца бионического протеза кисти руки.
Фиг. 3 - структурная схема системы управления протезом.
Бионический протез кисти руки (Фиг. 1) включает в себя узел крепления протеза 1 и электромеханическую кисть 2, содержащую ладонь 3, шарнирно соединенные с ней пальцы 4-5, систему управления протезом (Фиг. 3) и системы сгибания первого (Фиг. 1, поз. 4) и второго-пятого пальцев (Фиг. 2).
Узел крепления протеза 1, выполнен в виде неподвижно закрепленного на основании электромеханической кисти 2 крепежного разъема 17 и соединенного с ним ответного разъема 18, неподвижно закрепленного на основании культеприемной гильзы 19.
Первый палец 4 содержит шарнирно-соединенное с ладонью 3 и снабженное устройством блокировки поворотное основание 8, шарнирно соединенную с поворотным основанием первую фалангу 9, шарнирно соединенную с первой фалангой вторую фалангу 10, а также жесткую тягу 11 концы которой шарнирно закреплены на второй фаланге 10 и поворотном основании первого пальца 8.
Второй-пятый пальцы 5 содержат попарно соединенные шарнирами первую 12, вторую 13, третью 14 фаланги и две жесткие тяги 16, 15, концы которых шарнирно закреплены на второй 13 и третьей 14 фалангах, на второй фаланге 13 и основании второго-пятого пальцев ладони 3 (Фиг. 2).
Электроприводы 6 систем сгибания первого 4 и второго-пятого 5 пальцев с неподвижно закрепленными на валу червяками 7 неподвижно размещены внутри поворотного основания первого пальца 8 и ладони 3 соответственно, а червячные колеса 20 первого-пятого пальцев неподвижно соединены с первыми фалангами соответствующих пальцев.
Система управления протезом (Фиг. 3) выполнена в виде микропроцессорной системы и включает в себя микроконтроллер управления протезом 21 и соединенные с ним управляющие драйверы электроприводов систем сгибания пяти пальцев 22, датчики угла сгибания пяти пальцев 23, тензометрические датчики усилия схвата 24, датчик смещения поверхности удерживаемого протезом предмета 25 привод устройства блокировки поворотного основания первого пальца 26, сетевые интерфейсы для проводной и беспроводной коммуникации с внешними устройствами 27, интерфейсы для приема биоэлектрических сигналов управления 28, средства ввода-вывода отображения и настройки функций протеза 29, устройство электропитания 30.
Микроконтроллер управления протезом 21, управляющие драйверы, 22 соединенные с электроприводами 6 систем сгибания пяти пальцев, привод устройства блокировки поворотного основания первого пальца 26, сетевые интерфейсы для проводной и беспроводной коммуникации с внешними устройствами 27, интерфейсы для приема биоэлектрических сигналов управления 28 и устройство электропитания 30 неподвижно размещены внутри ладони 3.
Статоры датчиков угла сгибания пяти пальцев неподвижно размещены на основаниях соответствующих пальцев, при этом валы роторов датчиков неподвижно закреплены на червячных колесах 20 первых фаланг соответствующих пальцев.
Тензометрические датчики усилия схвата 24 неподвижно размещены на второй фаланге первого пальца 10 и третьих фалангах второго-пятого пальцев 14.
Датчик смещения поверхности удерживаемого протезом предмета 25 и средства ввода-вывода отображения и настройки функций протеза 29 размещены на поверхности ладони 3.
Бионический протез кисти работает следующим образом.
Бионический протез руки с помощью крепежного разъема 17 узла крепления протеза присоединяется к ответному крепежному разъему 18 на основании культеприемной гильзы 19 оператора.
Быстрая настройка функций протеза, в том числе выбор текущего шаблона схвата, режима управления, управление приводом устройства блокировки поворотного основания первого пальца 8, включение и отключение устройства электропитания 30, производится оператором с помощью средства ввода-вывода отображения и настройки функций протеза 29, взаимодействующего с микроконтроллером управления протезом.
Детальная настройка функций протеза, таких как параметры алгоритма обработки биоэлектрических сигналов управления, настройки чувствительности системы обратной связи, а так же обновление программного обеспечения микроконтроллера, его диагностика и загрузка дополнительных шаблонов схватов производится с помощью программного обеспечения, установленного на персональном компьютере или мобильном устройстве и взаимодействующего с микропроцессорной системой управления через сетевые интерфейсы для проводной и беспроводной коммуникации с внешними устройствами 27.
При включении устройства электропитания 30 происходит инициализация и диагностика микропроцессорной системы управления, после чего протез переходит в режим работы.
Сигналы с внешних биоэлектрических датчиков посредством интерфейсов для приема биоэлектрических сигналов управления 28 поступают в микроконтроллер управления протезом 21, где происходит их обработка в соответствии с заданными параметрами алгоритма обработки.
При поступлении биоэлектрического сигнала управления бионический протез кисти может работать в нескольких режимах управления: 1) выполнение схвата кисти при наличии сигнала, раскрытия кисти при отсутствии сигнала; 2) последовательное выполнение схвата либо раскрытия кисти при поступлении сигнала, отсутствие действий при отсутствии сигнала. При этом, в первом режиме управления сила и скорость схвата кисти могут быть установлены в пропорциональную зависимость от величины уровня поступающего биоэлектрического сигнала управления.
При выполнении команды схвата или раскрытия кисти, в зависимости от выбранного шаблона схвата микроконтроллер управления протезом 21 производит включение электроприводов систем сгибания всех или нескольких пальцев 6 через соответствующие драйверы электроприводов систем сгибания пальцев 22.
Посредством червячных передач систем сгибания пальцев производится поворот червячных колес 20, а так же валов роторов датчиков угла сгибания 23 на первых фалангах 9, 12 соответствующих пальцев. Тем самым, производится сгибание/разгибание первых фаланг соответствующих пальцев 4, 5.
При этом, в случае сгибания/разгибания первого пальца 4, посредством жесткой тяги 11, производится сгибание/разгибание второй фаланги первого пальца 10. А в случае сгибания/разгибания второго-пятого пальцев 5, посредством жестких тяг 15, производится сгибание/разгибание вторых фаланг пальцев 13 и одновременно с этим, посредством жестких тяг 16, сгибание/разгибания третьих фаланг пальцев 14.
Обратная связь с микроконтроллером управления протезом 21 в процессе выполнения схвата/раскрытия кисти в порядке убывания приоритета обеспечивается ограничителями силы тока электродвигателей драйверов электроприводов систем сгибания пальцев 22, датчиком смещения поверхности удерживаемого протезом предмета 25, тензометрическими датчиками усилия схвата 24, датчиками угла сгибания пальцев 23.
При выполнении операции сгибания/разгибания пальцев, тензонометрические датчики усилия схвата 24 фиксируют наличие и силу давления на них поверхности захватываемого протезом предмета и в случае отсутствия силы давления, сгибание/разгибание пальцев производится до измеряемого датчиками угла сгибания пальцев 23 заданного шаблоном схвата угла, после чего выполнение операции считается завершенным. В противном случае, сгибание/разгибание пальцев производится до достижения заданной шаблоном схвата силы давления на поверхности захватываемого предмета.
При выполненном схвате, возможное выскальзывание из захвата протеза удерживаемого предмета отслеживается датчиком смещения поверхности удерживаемого протезом предмета 25, и при начале такого выскальзывания производится дополнительная операция сгибания задействованных шаблоном схвата пальцев, производимая до исключения ситуации выскальзывания или до достижения предельной силы давления на поверхность захватываемого предмета.
Возникновение неисправностей в работе систем сгибания пальцев, связанных с блокировкой вала электродвигателей и достижением предельной силы тока, отслеживается ограничителями силы тока соответствующих драйверов электроприводов систем сгибания пальцев 22. При этом, выполнение операции сгибания/разгибания соответствующего пальца досрочно прекращается.
Применение бионического протеза кисти руки позволит повысить удобство оператора-инвалида, сократить время выполнения целенаправленных действий в его работе за счет повышения надежности, точности и естественности различных шаблонов производимых протезом схватов.