Протез предплечья с биоэлектрическим управлением двумя функциями. Биоуправляемые протезы плеча (стр. 1 из 2)

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ на тему:

«Протез предплечья с биоэлектрическим управлением двумя функциями. Биоуправляемые протезы плеча»

МИНСК, 2008

Основные характеристики протеза с устройством обратной связи

Порог срабатывания системы управления движениями пальцев кисти 20—30 при нормальных климатических условиях на частоте входного сигнала 100 Гц, мкВ.

Скорость свободного перемещения пальцев кисти изменяется плавно при — плавном изменении величины управляющего сигнала

Пределы регулирования силы схвата - 30Н.

Минимальная величина изменения силы схвата 1 -1,5Н.

Время достижения силы схвата до величины 30 Н, не более 3 с.

Минимальная частота вибрации, соответствующая минимальной силе 2—3 схвата, Гц

Максимальная частота вибрации, соответствующая максимальной силе 40—50 схвата, Гц

Время работы вибратора после прекращения подачи управляющего сигнала, с 1,5—3 Время непрерывной работы протеза при условии, что число циклов сгибания-разгибания пальцев кисти не превышает 500 в день, за один цикл заряда-разряда блока питания, не менее 8 ч.

Потребляемый ток в покое, не более 22 мА.

Напряжение источника питания 12,5 В.

Протез предплечья с биоэлектрическим управлением двумя функциями

Вопрос о биоэлектрическом управлении двумя функциями протеза — сгибанием и разгибанием пальцев искусственной кисти и пронацией и супинацией гильзы предплечья (кисти) может быть решен различными способами. Один способ заключается в создании четырехканальной системы управления, в которой каждый канал обеспечивает независимое управление одним из указанных выше четырех движений двух механизмов (кисти и ротации гильзы предплечья) от четырех мышц культи предплечья. Это может быть сделано простым повторением обычной двухканальной системы управления одной функцией. Достоинствами такой системы являются относительная простота построения схемы и возможность одновременного и независимого управления двумя движениями в различных сочетаниях: сгибание пальцев с одновременной пронацией гильзы предплечья, сгибание пальцев с супинацией гильзы предплечья и т. д. Кроме того, такая система более полно соответствует управлению конечностью в норме. Однако эта система обладает рядом существенных недостатков, снижающих перспективность ее широкого практического применения. Основными из них являются трудность получения четырех независимых сигналов с мышц культи при большом разнообразии травм, и характера ампутации, существенное увеличение габаритных размеров, массы и стоимости системы управления.

Другой способ заключается в последовательном управлении четырьмя движениями исполнительных механизмов от биоэлектрических сигналов двух групп мышц культи — сгибателем и разгибателей кисти, как это имеет место в протезах с одной управляемой функцией. Достоинствами такого способа являются небольшие габаритные размеры и масса системы управления, относительная простота управления, достаточная надежность работы всей системы управления, возможность использования ограниченного числа мышц для управления несколькими движениями, простота тренировки мышц на раздельную и комбинационную посылку управляющих сигналов. Недостаток этого способа — невозможность выполнения одновременно двух движений. Суть способа последовательного управлении состоит в том, что система управления при определенных условиях подключается либо к приводу искусственной кисти, либо к приводу механизма ротации.

Переключение системы производится произвольно, по желанию больного. В общем случае подобная система управления может быть представлена блок-схемой (рис. 1).

Двухканальная система управления состоит из токосъемного устройства 1, предварительных усилителей 2, преобразователей 3, оконечных усилителей 4 с нагрузкой в виде реле 5, как это имеет место в системах релейного управления для протезов с одной управляемой функцией, описанных ранее. Здесь вводится лишь одно новое звено — переключающее устройство б, имеющее в нагрузке реле РЗ, с помощью которого система может быть соединена с одним из двух электродвигателей Mlили М2 приводов кисти или механизма ротации соответственно. В исходном состоянии система управления соединена, например, с приводом кисти и управление осуществляется так же, как и в протезах с одной функцией: сигналы с мышц-сгибателей кисти управляют сгибанием, а с мышц-разгибателей — разгибанием пальцев искусственной кисти. При подаче кратковременного и резкого сигнала с управляющей мышцы срабатывает переключающее устройство б и к системе управления через контакты реле РЗ подключается электродвигатель М2 привода ротации гильзы предплечья. Управление электродвигателем М2 осуществляется так же, как и двигателем Ml, от тех же управляющих мышц, по более медленным сокращением их, чем при переключении, причем полярность включения двигателя М2 выбирают такой, чтобы мышцы-сгибатели управляли пронацией, а мышцы-разгибатели—супинацией гильзы предплечья. Переключение системы снова на управление искусственной кистью производится повторной посылкой кратковременного резкого сигнала с управляющей мышцы, в результате чего переключающее устройство возвращается в исходное состояние, т. е. контакты реле РЗ подключают к системе управления электродвигатель Ml. Переключение возможно как с одной, так и с обеих управляющих мышц.

Рис. 1. Блок-схема системы биоэлектрического управления двумя функциями.

Протез предназначен для инвалидов после ампутации предплечья па уровне не ниже средней трети. Протез состоит из следующих основных узлов: кисти 1 (рис. 2) с электромеханическим приводом, механизма активной ротации 2 с электроприводом, гильзы предплечья 5, системы управления, состоящей из предварительных усилителей 3 со стабилизатором питания 4, оконечного усилителя б, переключающего устройства 7.

Оконечный усилитель и переключающее устройство расположены в дистальной части гильзы предплечья. Протез снабжен блоком питания. Кисть и механизм ротации вместе с оконечным усилителем и переключающим устройством образуют один общий узел-полуфабрикат.

Механизм ротации состоит из редуктора цилиндрической формы, в корпусе которого размещен электродвигатель. Редуктор состоит из двух ступеней зубчатой передачи Ziи Z2 (рис. 3), самотормозящейся винтовой пары Z3 и зубчатой передачи с внутренним зацеплением Z4,Z5.

Рис. 2 Протез предплечья с биоэлектрическим управлением с двумя функциями

Максимальный вращающий момент привода составляет 0,5 - 5Н*м; число поворотов — не менее 15 об/мин; масса протезане превышает 1,2 кг.

Рис. 3. Кинематическая схема привода ротации кисти.

Система управления в основном такая же, как и для протезов с одной управляемой функцией. В систему управления добавлено лишь электронное переключающее устройство для коммутации системы с управления сгибанием н разгибанием пальцев кисти па управление пронацией и супинацией предплечья и обратно. Блок питания в данном протезе используется такой же, что и в протезе с одной управляемой функцией. Блок-схема биоэлектрической системы пропорционального управления сгибанием и разгибанием пальцев кисти и ротации предплечья представлена на рис. 4.

Рис. 4. Блок-схема системы биоэлектрического пропорционального управления двумя функциями.

Как видно из рисунка, принцип действия системы управления тот же, что и системы пропорционального управления кистью в протезе предплечья, а переключающее устройство такое же, как в протезе предплечья. Таким образом, система пропорционального управления двумя функциями действует так же, как и релейная система последовательного управления этими же функциями, с тем лишь различием, что здесь скорость исполнительных органов (пальцев кисти и ротации предплечья) изменяется пропорционально величине входного биоэлектрического (управляющего) сигнала.

Протез предплечья с миотоническим управлением кистью

Протез предназначен для снабжения больных после односторонней или двусторонней ампутации предплечья на уровне не выше 7 см от локтевого сустава. Особенностью данного протеза является так называемая миотоническая система управления, в которой эффект увеличения периметра сокращенных мышц культи используется для воздействия на электронную систему управления через датчик, расположенный над управляющими мышцами.

Протез состоит из искусственной кисти 1 (рис. 5) с электромеханическим приводом, гильзы предплечья 2, системы управления 3 с датчиком 4, расположенных в специальных гнездах па гильзе предплечья, и блока питания 5. В комплект протеза входят также второй блок питания, зарядное устройство и запасная косметическая оболочка на кисть.

Рис. 5. Протез предплечья с миотоническим управлением кистью.

Кисть с электроприводом, блоки питания и зарядное устройство к ним используются те же, что и в протезах с биоэлектрическим управлением. Гильза предплечья изготовляется из полиэтилена или из слоистого пластика, как и в протезах с биоэлектрическим управлением, по индивидуальному гипсовому слепку. Крепление протеза также обычное, ремешковое или в виде неопадающей гильзы. Система управления состоит из электронного блока и датчика. В датчике в качестве преобразователя механического эффекта сокращающихся мышц в электрический сигнал применены микропереключатели 7 (рис. 6), заключенные в обойму 2 и скрепленные винтами 6. Обойма 2 соединена с основанием 4 датчика пружиной 3.