PL228030B1 - Mechatroniczny układ adaptacji trajektorii, zwłaszcza protezy kolana ludzkiego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest mechatroniczny układ adaptacji trajektorii, zwłaszcza protezy kolana ludzkiego.

Z opisu zgłoszeniowego PL 212152 B1 znany jest przegub stawu kolanowego będący endoprotezą mocowaną do kości udowej i goleniowej walcowymi, wielowpustowymi końcówkami, połączonymi z głowicami główki i panewki, zespolonymi przegubem z trzpieniem napiętym sprężyną. Przegub stawu kolanowego posiada mechaniczne połączenie części udowej z podkolanową, przenoszone poprzez trzpień i przegub bez udziału ścięgien i mięśni, których rola ogranicza się do zginania przegubu. W przypadku gwałtownego niekontrolowanego zgięcia kolana o kąt większy niż dziewięćdziesiąt stopni sprężyna, napinająca trzpień, poddaje się, a następnie dokonuje powrotu do pozycji normalnego ugięcia.

Z opisu zgłoszeniowego PL 219 055 B1 znany jest mechanizm przegubowy działający następująco. W wyniku wysuwania się tłoczyska z siłownika następuje obrót w prawo członu, przy czym jednocześnie pierwsze kółko i drugie kółko toczą się w prawo, tak że środek obrotu drugiego członu zmienia swoje położenie. W tym czasie pierwszy łącznik i drugi łącznik obracają się synchronicznie, zaś pierwszy wahacz obraca się w kierunku przeciwnym niż drugi wahacz. Łączniki jak i wahacze zapewniają stabilną pracę mechanizmu oraz jego zwartą konstrukcję.

Istotą rozwiązania według wynalazku jest mechatroniczny układ adaptacji trajektorii, zwłaszcza protezy kolana ludzkiego, który jest wyposażony w trzy napędy, gdzie pierwszy napęd stanowi napęd liniowy tylny, który jednym końcem połączony jest poprzez przegub dolny tylny z kością piszczelową, a drugim końcem poprzez przegub górny tylny z kością udową, drugi napęd stanowi napęd obrotowy centralny, który jest połączony z kością piszczelową oraz za pomocą elementu dolnego przedniego poprzez wspólny przegub przedni z trzecim napędem liniowym przednim, który z kolei poprzez przegub górny przedni połączony jest z kością udową, przy czym przegub górny tylny jest połączony z przegubem przednim łącznikiem.

Korzystnie w łączniku połączono cztery pary kinematyczne obrotowe w dwie, a przegub górny tylny i przegub przedni tworzą wspólne osie obrotowe dla elementu dolnego przedniego, napędu liniowego przedniego i łącznika tworząc przegub przedni oraz dla kości udowej, napędu liniowego tylnego i łącznika tworząc przegub górny tylny.

Korzystnie czterowęzłowy łącznik, przegub górny tylny i przegub przedni tworzą przegub wspólny, z których każdy utworzony jest z dwóch przegubów leżących na jednej osi.

Korzystnie napęd obrotowy centralny posiada blokadę magnetyczną do utrzymania elementu dolnego przedniego w stałym położeniu względem kości piszczelowej.

Zaletą urządzenia jest jego przydatność szczególnie w przypadku różnego rodzaju urazów miękkich jak skręcenia lub uszkodzenia ścięgien i więzadeł. Zaprojektowany innowacyjny mechanizm jest przewidziany do zastosowania w różnych urządzeniach do wspierania ludzkiego kolana (ortezy) i urządzeniach rehabilitacyjnych oraz jako element zastępczy stawu kolanowego (implanty i protezy), aby dostosowywać się w czasie rzeczywistym do wymaganego ruchu kolana.

Zaletą urządzenia jest prosta struktura i mało skomplikowana budowa.

Zaletą urządzenia jest kontrolowanie bardzo dokładnych ruchów.

Zaletą urządzenia jest możliwość uzyskania każdej trajektorii chwilowego środka obrotu.

Zaletą mechanizmu jest to, że w czasie gdy stopa jest ustalona względem podłoża i w kolanie występuje największe obciążenie pionowe to układ mechatroniczny blokuje napędy utrzymując je sztywne do chwili wykrycia zmniejszania się obciążenia.

Wynalazek został bliżej przedstawiony w przykładach jego wykonania oraz na rysunkach, na których fig. 1a przedstawia mechatroniczny układ kinematyczny z trzema napędami, fig. 1b przedstawia rozwiązanie szczególne układu kinematycznego sterowanego mechatronicznie w widoku z boku na tle kolana.

P r z y k ł a d 1

Mechatroniczny układ adaptacji trajektorii, zwłaszcza protezy kolana ludzkiego jest wyposażony w trzy napędy, gdzie pierwszy napęd stanowi napęd liniowy tylny 5, który jednym końcem połączony jest poprzez przegub dolny tylny 6 z kością piszczelową, a drugim końcem poprzez przegub górny tylny 7 z kością udową 2, drugi napęd stanowi napęd obrotowy centralny 9, który jest połączony z kością piszczelową 2 oraz za pomocą elementu dolnego przedniego 3 poprzez wspólny przegub przedni 10 z trzecim napędem liniowym przednim 4, który z kolei poprzez przegub górny przedni 8

PL 228 030 B1 połączony jest z kością udową 1, przy czym przegub górny tylny 7 jest połączony z przegubem przednim 3 łącznikiem 12.

P r z y k ł a d 2

Mechatroniczny układ jak w przykładzie 1 przy czym, w łączniku 12 połączono cztery pary kinematyczne obrotowe w dwie, a przegub górny tylny 7 i przegub przedni 10 tworzą wspólne osie obrotowe dla elementu dolnego przedniego 3, napędu liniowego przedniego 4 i łącznika 12 tworząc przegub przedni 10 oraz dla kości udowej 1, napędu liniowego tylnego 5 i łącznika 12 tworząc przegub górny tylny 7.

Mechatroniczny układ do adaptacji trajektorii, zwłaszcza protezy kolana ludzkiego odwzorowuje złożony ruch stawu kolanowego czyli względny ruch między kością udową 1 i kością piszczelową 2. Napęd obrotowy centralny 9 zapewnia pośrednio ruch całego mechanizmu i zgięcie kolana. Bezpośrednio napęd obrotowy centralny 9 zapewnia ruch obrotowy względny elementu dolnego przedniego 3 i kości piszczelowej 2 łącząc ze sobą w sposób obrotowy te dwa elementy. Element dolny przedni 3 zamocowany jest obrotowo przegubem przednim 10 do napędu liniowego przedniego 4, a ten zam ocowany jest przegubem górnym przednim 8 do kości udowej 1 na zarysie kolana 11. W celu poruszenia kości udowej 1 lub kości piszczelowej 2 należy wykonać ruch napędu obrotowego centralnego 9. Odwzorowanie złożonego ruchu stawu kolanowego, zwłaszcza trajektorii chwilowego środka obrotu jest możliwe dzięki zastosowaniu napędu liniowego przedniego 4 i napędu liniowego tylnego 5. Sterowanie w czasie rzeczywistym długością tych dwóch napędów powoduje zmianę położenia chwilowego środka obrotu według żądanej trajektorii. Długości obu napędów można zmieniać niezależnie od siebie nawzajem dzięki ich obrotowemu zamocowaniu i sterowaniu mechatronicznemu. Napęd liniowy przedni 4 jest zamocowany do kości udowej 1 przegubem górnym przednim 8, a przegubem przednim 10 do osadzonych na wspólnej osi elementów dolnego przedniego 3 i łącznika 12. Napęd liniowy tylny jest zamocowany przegubem górnym tylnym 7 do osadzonych na wspólnej osi kości udowej 1 i łąc znika 12, a do kości piszczelowej 2 przegubem dolnym tylnym 6. Odpowiednie dostosowanie trajektorii jest zapewnione poprzez wprowadzenie elementów o zmiennej długości - dwa wahacze - oraz pełnej kontroli ich długości poprzez zastosowanie mechatronicznych napędów: napęd liniowy przedni 4 oraz napęd liniowy tylny 5. W celu określenia prawidłowej trajektorii, mogą być wykorzystane wcześniej zarejestrowane dane o ruchu pacjenta. Ponadto, ruch drugiego stawu kolanowego może być traktowany jako odniesienie i może być mierzony przez ten sam mechanizm. W wielu przypadkach właśc iwa trajektoria może być również wcześniej zaprogramowana lub określona przez fizjoterapeutę podczas sesji treningowej. Ten ruch może być zmierzony, zapisany i odtworzony przez mechanizm.

Claims (4)

1. Mechatroniczny układ adaptacji trajektorii, zwłaszcza protezy kolana ludzkiego, znamienny tym, że jest wyposażony w trzy napędy, gdzie pierwszy napęd stanowi napęd liniowy tylny (5), który jednym końcem połączony jest poprzez przegub dolny tylny (6) z kością piszczel ową, a drugim końcem poprzez przegub górny tylny (7) z kością udową (2), drugi napęd stanowi napęd obrotowy centralny (9), który jest połączony z kością piszczelową (2) oraz za pomocą elementu dolnego przedniego (3) poprzez wspólny przegub przedni (10) z trzecim napędem liniowym przednim (4), który z kolei poprzez przegub górny przedni (8) połączony jest z kością udową (1), przy czym przegub górny tylny (7) jest połączony z przegubem przednim (3) łącznikiem (12).

2. Mechatroniczny układ według zastrz. 1, znamienny tym, że w łączniku (12) połączono cztery pary kinematyczne obrotowe w dwie, a przegub górny tylny (7) i przegub przedni (10) tworzą wspólne osie obrotowe dla elementu dolnego przedniego (3), napędu liniowego przedniego (4) oraz łącznika (12) tworząc przegub przedni (10) oraz dla kości udowej (1), napędu liniowego tylnego (5) i łącznika (12) tworząc przegub górny tylny (7).

3. Mechatroniczny układ według zastrz. 1, znamienny tym, że czterowęzłowy łącznik (12), przegub górny tylny (7) i przegub przedni (10) tworzą przegub wspólny, z których każdy utworzony jest z dwóch przegubów leżących na jednej osi.

4. Mechatroniczny układ według zastrz. 1, znamienny tym, że napęd obrotowy centralny (9) posiada blokadę magnetyczną do utrzymania elementu dolnego przedniego (3) w stałym położeniu względem kości piszczelowej (2).