Механизм коленного шарнира

 

Использование: изобретение относится к машиностроению в области медицинской техники, а именно к протезированию нижних конечностей. Механизм коленного шарнира протеза бедра позволяет увеличить ресурс за счет исключения воздействия максимального изгибающего момента на поступательную кинематическую, пару в фазе опирания на протез. Существо изообретения: механизм содержит верхнюю опорную площадку для крепления гильзы бедра, нижний кронштейн для крепления трубки голени, соединенных передним 8 и задним звеном 11 через вращательные и поступательные кинематические пары. Верхняя площадка и нижний кронштейн имеет выступы с опорными поверхностями, взаимодействующими между собой. Переднее звено выполнено в виде скобы, защищающей выступы площадки и кронштейна. 4 ил.

Изобретение относится к машиностроению в области медицинской техники, а именно к протезированию нижних конечностей.

Известны протезы бедра, в которых механизм коленного шарнира выполнен в виде верхней опорной площадки, нижнего кронштейна, переднего и заднего звена, соединяющихся с помощью кинематических пар вращения.

Недостатком данного устройства является недостаточная величина уменьшения функциональной длины протеза в фазе переноса, что пpиводит к значительным компенсаторным движениям и асимметрии при ходьбе.

Известен механизм коленного шарнира протеза бедра, содержащий опорную площадку для крепления к гильзе бедра, кронштейн для крепления трубки голени и соединенных между собой с помощью переднего (кривошипа) и заднего (кулисы) звеньев через вращательные и поступательные кинематические пары.

Недостатком указанного механизма коленного шарнира протеза бедра является нагружение поступательной кинематической пары (кулиса-ползун) максимальным изгибающим моментом в фазе опирания на протез.

Данное явление приводит к быстрому износу (разбалтыванию) поступательной кинематической пары, появлению люфтов, стуков и т.д. в механизме коленного шарнира, делающим невозможным его дальнейшую эксплуатацию.

Сущность изобретения заключается в том, что в механизме коленного шарнира, содержащего верхнюю опорную площадку для крепления гильзы бедра, нижний кронштейн для крепления трубки голени, соединенных передним и задним звеном с помощью вращательных и поступательной кинематических пар, верхняя опорная площадка и нижний кронштейн снабжены выступами с упорными поверхностями, взаимодействующими между собой, а переднее звено выполнено в виде скобы, защищающей указанные выступы с упорными поверхностями.

Техническим результатом изобретения является устранение указанных недостатков, а именно создание механизма коленного шарнира кулисного типа с повышенным ресурсом, за счет исключения воздействия максимального изгибающего момента на поступательную кинематическую пару в фазе опирания на протезе.

На фиг. 1 изображен предлагаемый механизм коленного шарнира в сагиттальной плоскости; на фиг.2 - промежуточное положение деталей и звеньев механизма в процессе ходьбы (отклонение трубки голени на угол ); на фиг.3 - схема нагружения нижнего кронштейна с ползуном механизма коленного шарнира (кулисного типа) в фазе опирания; на фиг.4 - схема нагружения нижнего кронштейна с ползуном предлагаемого механизма коленного шарнира в фазе опирания.

Механизм коленного шарнира протеза бедра состоит из верхней опорной площадки 1 с выступом 2, содержащим упорную поверхность 3, нижнего опорного кронштейна 4 с выступом 5, содержащим упорную поверхность 6, и соединяемого с трубкой голени с помощью клеммного зажима 7. Верхняя опорная площадка 1 и нижний кронштейн 4 соединены между собой передним звеном 8, выполненным в виде скобы, с помощью цилиндрических шарниров 9 и 10, а также задним звеном 11 (кулиса) с помощью цилиндрического шарнира 12 и поступательной кинематической пары в виде ползуна 13, жестко соединенного с нижним кронштейном 4.

Эластичный демпфер 14 закреплен на верхней опорной площадке 1 в выступе 2 с выступанием за упорную поверхность 3, служит для исключения стука и демпфирования при динамичном соприкосновении упорных поверхностей 3 и 6 в процессе ходьбы.

Декоративный колпачок 15 служит для придания необходимых внешних обводов и косметичности.

В фазе опирания на протез упорные поверхности 3 и 6 механизма коленного шарнира находятся в соприкосновении, образуя силовую связь. При повороте коленного шарнира (на угол ) в фазе переноса упорные поверхности 3 и 6 перемещаются по соответствующим траекториям, не препятствуя друг другу, за счет поворота переднего 8 и заднего 11 звеньев.

Подкосоустойчивость протеза бедра с данным механизмом коленного шарнира обеспечивается за счет смещения осей шарниров 9, 10 и 12 назад относительной линии действия силы тяжести.

Под действием указанных на фиг.3 внешних воздействий М и Q, а также реакций R₁, R₂, R₃ и R₄ нижний кронштейн и жестко связанный с ним ползун находятся в равновесии.

Уравнения равновесия имеют следующий вид: 1. R₁sin = R₃-R₂ 2. R₁cos = R₄ + Q 3. M_b= 0 R₂ h + R₁ cos l₁-R₁ sin l₃ = M Система 3 уравнений имеет четыре неизвестных.

Дополнительное уравнение, определяющее соотношение реакций R₂ и R₃, определяется из условия равновесия заднего звена (кулиса) R₂ l₂ = R₂(l₂ + h) где М - изгибающий момент; Q - масса протезируемого; R₁ - усилие от переднего звена; R₂ и R₃ - усилие (боковые) на ползун от заднего звена; R₄ - осевая (упорная) сила на кронштейн от заднего звена в фазе опирания.

Под действием указанных на фиг.4 внешних воздействий М и Q, а также реакций R₅, R₆ и Т нижний кронштейн 4 и жестко связанный с ним ползун 13 находятся в равновесии.

Уравнения равновесия имеют следующий вид: 1. Q + R₅ cos=R₆cos+Tsin
2. R₆ sin-Tcos=R₅sin
3. Tl₄ + R₆ l₅ = M где R₅ - усилие от переднего звена 8;
R₆ - нормальное усилие на упорную площадку 6 от упорной площадки 3;
Т - касательное усилие на упорную площадку 6.

Из сравнения приведенных на фиг.3 и 4 схем нагружения видно, что в предлагаемом механизме коленного шарнира отсутствуют боковые усилия (в направлении, перпендикулярном оси поступательной кинематической пары) на ползун 13 от воздействия заднего звена (кулиса) 11.

Создание в механизме коленного шарнира замкнутой силовой связи посредством упорных площадок 3 и 6 (на верхней опорной площадке 1 и нижнем кронштейне 4) исключает поперечное нагружение поступательной кинематической пары заднего звена 11 (кулиса) и ползуна 13 (жестко связанного с кронштейном 4) и, как следствие, позволяет повысить ресурс механизма (увеличить срок эксплуатации протеза).

Формула изобретения

МЕХАНИЗМ КОЛЕННОГО ШАРНИРА, содержащий опорную площадку для крепления гильзы бедра, кронштейн для крепления трубки голени, соединенные передним и задним звеньями при помощи вращательных и поступательных кинематических пар, отличающийся тем, что переднее звено выполнено в виде скобы, при этом на опорной площадке и кронштейне выполнены выступы с упорными поверхностями для взаимодействия между собой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4