Komfortowe protezy z amortyzatorami idealnie tłumiącymi wstrząsy
Producent urządzeń techniki medycznej Otto Bock korzysta ze specjalistycznej wiedzy Zimmer Group z zakresu amortyzacji, aby zastosować amortyzatory hydrauliczne w protezach kończyn dolnych i wdrożyć je do produkcji.
Jednym z istotnych obszarów działalności Zimmer Group jest technika amortyzacyjna. Firma działa w branży amortyzacji ruchu od ponad 10 lat, a w przypadku branży meblarskiej należy do niekwestionowanych liderów rynkowych w tej dziedzinie. Nie wszyscy jednak wiedzą, że obok wysokiej jakości produktów z zakresu techniki amortyzacyjnej dla branży meblarskiej Zimmer Group jest również projektantem i dostawcą rozwiązań dla światowego lidera w branży techniki medycznej – Otto Bock.
Firma Otto Bock oferuje szeroki asortyment produktów i usług, które przywracają osobom chorym i niepełnosprawnym mobilność i samodzielność, znacząco poprawiając jakość ich życia. Dostarcza wysokiej jakości protezy dłoni, rąk i nóg, które od lat wyznaczają standardy techniczne w tej branży i są stale ulepszane. Najważniejszym celem jest naśladowanie w jak największym stopniu naturalnych ruchów oraz zapewnienie maksymalnego komfortu noszenia i ruchu. Przykładowo w przypadku protez kończyny dolnej, w celu zapewnienia najlepszej możliwej naturalności chodu, protezy są wyposażane w zaawansowane konstrukcje przegubowe, w których poszczególne ruchy są odpowiednio amortyzowane. Stosuje się do tego m.in. amortyzatory hydrauliczne. W tym przypadku firma Otto Bock postawiła na ekspercką wiedzę Zimmer Group, która projektuje i produkuje te amortyzatory w ramach współpracy na wyłączność.
W trakcie trwającej już ponad 15 lat kooperacji firma Zimmer Group zaprojektowała wiele rodzajów amortyzatorów hydraulicznych do protez kończyn dolnych, gwarantując ich wysoką jakość. Rozwiązania te były konsekwentnie ulepszane w ścisłym porozumieniu z Otto Bock. – Amortyzatory hydrauliczne pełnią w protezie istotne funkcje. Zapewniają naturalny chód, zmniejszają wstrząsy i poprawiają komfort użytkownika, redukując jednocześnie niebezpieczeństwo chorób następczych – wyjaśnia Andreas Lasch, który jako główny konstruktor od początku zajmował się rozwojem amortyzatorów.
Od wielu lat dział o nazwie „Rozwój protetyki kolan i bioder” firmy Otto Bock ściśle współpracuje z obszarem technologicznym „Przemysłowa technika amortyzacyjna” firmy Zimmer Group
Amortyzacja w fazie podparcia
W zależności od wersji i zastosowania w protezach kończyn dolnych firmy Otto Bock są stosowane różne rodzaje amortyzatorów hydraulicznych – np. w opatentowanych przegubach kolanowych na najmniejszej przestrzeni zintegrowane są aż dwa amortyzatory, które razem odpowiadają za tłumienie w tzw. fazie podparcia i fazie wymachu.
Podczas stawiania stopy na podłożu ciężar ciała użytkownika jest przejmowany przez sprężynę zwojową, dzięki czemu następuje tłumienie wstrząsu. Amortyzator fazy podparcia zapewnia więc miękkie tłumienie podczas stawiania stopy na podłożu i dzięki temu wolny od wstrząsów chód. Drugą ważną rolą amortyzatora jest uniemożliwienie gwałtownego rozprężenia się sprężyny w kolejnej fazie chodu, a tym samym niekontrolowanego wymachu stopy. W efekcie w dalszej fazie chodu stopa miękko odrywa się od podłoża, umożliwiając ciche i płynne chodzenie.
Zaprojektowane do tych zadań przez firmę Zimmer Group amortyzatory fazy podparcia są majstersztykiem sztuki inżynierskiej. Dzięki systemowi regulowanych otworów hydraulicznych, precyzyjnie dopasowanym rowkom spiralnym i zintegrowanym zaworom kulowym zapewniają niewyobrażalnie wiele wariantów ustawień w najmniejszej możliwej przestrzeni. W celu dostosowania do danej długości kończyny oraz ciężaru ciała w amortyzatorach fazy podparcia (o wielkości zbliżonej do kciuka) można ustawiać zarówno siłę tłumienia, jak i moment rozpoczęcia tłumienia. Dzięki temu przy użyciu skalowalnej śruby nastawczej można ustawić długość kroku, przy której ma następować tłumienie, jak również oddzielnie dostosować początek tłumienia wsuwania i wysuwania oraz zastosowanie fazy ruchu i fazy podparcia.
Amortyzator wykazuje liniową charakterystykę tłumienia, dzięki czemu tłumienie pozostaje na stałym poziomie na całej długości skoku. Możliwości ustawienia pozwalają jednak na dostosowanie protezy do wzrostu użytkownika oraz jego masy mieszczącej się w zakresie 50–100 kg.
Tak rozbudowane możliwości regulacji to rezultat dopracowanej konstrukcji kryjącej w sobie efekty wieloletniej pracy konstruktorów i licznych zabiegów optymalizacyjnych. Aby np. zapobiec gwałtownemu rozpoczęciu procesu tłumienia, tłoki hydrauliczne zostały wyposażone w progresywne rowki spiralne zapewniające łagodne rozpoczęcie amortyzacji.
Amortyzacja w fazie wymachu
Amortyzator fazy wymachu, który – podobnie jak amortyzator fazy podparcia – jest zintegrowany w przegubie kolanowym protezy, odpowiada za amortyzację zginania i prostowania przegubu kolanowego podczas chodzenia. Aby było możliwe zamortyzowanie tych dwóch rodzajów ruchu ze zróżnicowaną mocą, tłok hydrauliczny został wyposażony w dwa różne rowki spiralne, między którymi następuje automatyczne przełączanie przy użyciu zintegrowanego zaworu kulowego. Dzięki odmiennemu wykonaniu obydwu rowków spiralnych możliwa jest zróżnicowana charakterystyka tłumienia, a tym samym bardzo naturalny chód, gdyż zintegrowana sprężyna zapewnia samoistne przechodzenie przegubu do prostowania w stanie nieobciążonym. W przypadku obu ruchów można, za pomocą śruby regulacyjnej znajdującej się na obudowie amortyzatora, bezstopniowo (w zakresie od zera do danej siły maksymalnej) ustawić zarówno moment rozpoczęcia tłumienia, jak i siłę tłumienia, przy czym siły tłumienia przy zginaniu wynoszą 5000 N, a przy prostowaniu — 2500 N.
Największym wyzwaniem była niewielka przestrzeń konstrukcyjna, ponieważ amortyzatory przy skoku o długości 11 mm mogą mieć zaledwie 26 mm średnicy . Do najtrudniejszych zadań w tak ekstremalnie ograniczonej przestrzeni konstrukcyjnej należało osiągnięcie pożądanej żywotności sięgającej trzech milionów cykli obciążenia, a tym samym — zagwarantowanie pięcioletniego czasu użytkowania. Ponieważ ciśnienie w amortyzatorach dochodzi do 500 barów, znaczący wpływ na żywotność mają mikrowycieki, których nie da się całkowicie wyeliminować w żadnym układzie hydraulicznym. Z tego względu jednym z największych wyzwań w kwestii zapewnienia wymaganej trwałości okazała się szczelność układu hydraulicznego. – Ponieważ dostępna przestrzeń konstrukcyjna nie wystarczała dla uszczelek wielokrotnych, postawiliśmy najwyższe wymagania w zakresie jakości powierzchni tłoczyska, jakości i dokładności montażu uszczelek oraz tolerancji luzu między końcami pierścienia tłokowego. Dzięki bardzo niskiej tolerancji, zastosowaniu komponentów wykonanych z najwyższą precyzją i z najlepszych materiałów, specjalnemu olejowi do amortyzatorów oraz największej staranności podczas montażu udało nam się spełnić wszystkie wymagania i możemy dostarczać naszemu klientowi wyprodukowany w Niemczech precyzyjny element charakteryzujący się niezawodnością – wyjaśnia Andreas Lasch.
Aby utrzymać wypracowaną jakość na niezmiennie wysokim poziomie, każdy z 3500 amortyzatorów produkowanych w ciągu roku przez Zimmer Group dla firmy Otto Bock jest przed dostawą poddawany kompletnej kontroli. Obok charakterystyki tłumienia w ramach kontroli dokonuje się również pomiaru siły tłumienia, co jest następnie dokumentowane na certyfikacie dostarczanym dla każdego z indywidualnie oznakowanych amortyzatorów.
Zastosowanie w przegubach kolanowych protez do amortyzacji w fazie wymachu i podparcia
Nieustanny rozwój
Obecny stan rozwoju amortyzatorów jest wynikiem wieloletniej, ścisłej współpracy między firmami Zimmer Group i Otto Bock. Liczne życzenia klientów znalazły odzwierciedlenie w zmianach konstrukcyjnych
i z upływem lat zaowocowały szeregiem udoskonaleń. Nie oznacza to jednak końca procesu rozwoju technicznego. Zimmer Group nadal aktywnie pracuje nad dalszym rozwojem poszczególnych elementów, koncentrując się m.in. na ściślejszej integracji komponentów elektronicznych. — Mamy plany na przyszłość, ponieważ nasza wiedza w zakresie rozwoju wysokiej jakości techniki amortyzacyjnej może znaleźć zastosowanie nie tylko w technice medycznej. Także klienci z branży budowy maszyn i pojazdów, przemysłu lotniczego i kosmonautyki czy techniki pomiarowej mogą wykorzystać naszą fachową wiedzę, ponieważ znamy się na precyzyjnej, bezpiecznej i niezawodnej amortyzacji drgań — również w całkowicie odmiennych wymiarach i wielkościach niż te stosowane w amortyzatorach dla firmy Otto Bock – podsumowuje Andreas Lasch.
ZIMMER GROUP SLOVENSKO
Centrum 1746/265, 017 01
Považská Bystrica, Slovensko
tel. +421 42 43 31 788, mob. +421 911 878 800
e-mail: roman.majersky@zimmer-group.sk
info.sk@zimmer-group.com
ZIMMER GROUP POLSKA
tel. +48 574 569 996, +48 664 343 738,
+421 42 4331 788
e-mail: roman.majersky@zimmer-group.sk
www.zimmer-group.pl
source: Automatyka 7-8/2019