Владельцы патента RU 2567589:

Изобретение относится к медицине. Экзоскелет содержит одетый на человека корсет, траверсу, вмонтированную в него, закрепленную на тазобедренной части, опирающуюся своими концами на составленные из звеньев опорные стойки, башмаки, связанные со стойками, шарниры и упорные подшипники, размещенные на траверсе и башмаках, в которых вращаются цапфы кривошипов, установленных на концах стоек, ведущий вал, вращающийся в установленном на траверсе шарнире, механизм синхронного поворота кривошипов, соединенный посредством рычагов с мышцами человека, являющимися приводом, и дополнительный привод с блоком питания. На верхних и нижних звеньях стоек размещены шарниры и упорные подшипники, в них вращаются шейки кривошипов. Шейки кривошипов между собой соединены гибкими валами. Звенья стоек соединены посредством шарниров, снабженных механизмами поворота, которые соединены гибкими валами с помощью пульта управления с мышцами и дополнительным приводом. Траверса с башмаками связана упругими муфтами и демпферами. Изобретение обеспечивает возможность снижения нагрузки на суставы и увеличения силы и выносливости, а при нарушении опорно-двигательного аппарата и при отсутствии ног ходить, садиться и вставать. 6 ил.

Экзоскелет относится к области жизнеобеспечения человека. Экзоскелет предназначен для реабилитации людей с нарушенным опорно-двигательным аппаратом, и может найти военное применение и применение при ликвидации чрезвычайных ситуаций.

Известны экзоскелеты, реализующие идею разгрузки человека, содержащие каркас с элементами крепления к туловищу, рычаги, шарнирно соединенные между собой, например патенты РФ №№2116063, 2200529, 2110243, 2362598. Однако они не обеспечивают автономную ходьбу человека с нарушенным опорно-двигательным аппаратом.

Прототипом является экзоскелет инвалида, патент РФ №2493805, содержащий опорные стойки, башмаки, траверсу с шарниром на ее центральной части, в котором вращается ведущий вал, соединенный с мышечной системой, являющейся приводом. Однако его динамические характеристики низки, эксплуатационные возможности ограничены, например экзоскелет не может быть использован человеком, не имеющим ног.

Техническим результатом, на обеспечение которого направлено заявляемое техническое решение, является экзоскелет, позволяющий человеку снизить нагрузку на суставы и увеличить силу и выносливость, а при нарушении опорно-двигательного аппарата и при отсутствии ног ходить, садиться и вставать.

Экзоскелет содержит одетый на человека корсет, траверсу, вмонтированную в него, закрепленную на тазобедренной части, опирающуюся своими концами на составленные из звеньев опорные стойки, башмаки, связанные со стойками, шарниры и упорные подшипники, размещенные на траверсе и башмаках, в которых вращаются цапфы кривошипов, установленных на концах стоек, ведущий вал, вращающийся в установленном на траверсе шарнире, механизм синхронного поворота кривошипов, соединенный посредством рычагов с мышцами человека, являющимися приводом, и дополнительный привод с блоком питания. На верхних и нижних звеньях стоек размещены шарниры и упорные подшипники, в них вращаются шейки кривошипов, шейки между собой соединены гибкими валами, звенья стоек соединены посредством шарниров, снабженных механизмами поворота, которые соединены гибкими валами с помощью пульта управления с мышцами и дополнительным приводом, траверса с башмаками связана упругими муфтами и демпферами.

Изобретение поясняется чертежами, где: на фиг. 1 — вид сзади; на фиг. 2 — вид слева, опора на два башмака; на фиг. 3 — вид слева, фаза поднятой ноги; на фиг. 4 — схема храпового механизма при движении вперед; на фиг. 5 — схема храпового механизма при посадке и вставании; на фиг. 6 — схема установки кривошипов.

Обозначения на чертежах: корсет 1, траверса 2, опорная стойка 3, башмак 4, шейка кривошипа 5, цапфа кривошипа 6, гибкий вал кривошипов 7, параллелограммный механизм 8, ведущий вал 9, рычаг 10, упругая муфта с демпфером 11, сустав 12, звено стойки 13, червячный механизм 14, гибкий вал червячного механизма 15, храповой механизм 16, шарнир 17 со стопором, косая шайба 18 со стопором, пульт управления 19, силовой привод 20.

Экзоскелет содержит одетый на человека корсет 1, траверсу 2, вмонтированную в него, закрепленную на тазобедренной части, стойки 3, связанные с траверсой 2 и башмаками 4. На траверсе 2, на стойках 3 и на башмаках 4 установлены шарниры и упорные подшипники. В шарнирах и упорных подшипниках вращаются кривошипы с шейками 5 и цапфами 6. Шейки 5 кривошипов соединены между собой гибким валом 7, а цапфы 6 связаны посредством параллелограммного механизма синхронного поворота 8 с вращающимся в установленном на траверсе шарнире ведущим валом 9. Вал соединен, посредством рычагов 10, с мышечной системой человека. Траверса 2 со стойками 3 и башмаками 4 связана упругими муфтами с демпферами 11. Опорные стойки 3 снабжены суставами 12, включающими звенья 13. Звенья соединены последовательно друг с другом с помощью шарниров и снабжены поворотными механизмами со стопорами, например червячными механизмами 14. Червяки механизмов 14 соединены с помощью гибких валов 15 и храповых механизмов 16 с валом 9. Храповой механизм содержит храповик, жестко соединенный с гибким валом 15, две собачки, установленные встречно, соединенные с поводком, и тягу, связанную с валом 9. Звенья 13 связаны эластичной связью, посредством корсета 1, со стопами, с голенями и с бедрами человека. Длина стоек 3 регулируется и устанавливается в соответствии с необходимой нагрузкой ног при реабилитации. Шейки 5 с цапфами 6 соединены с помощью шарниров и снабжены механизмами поворота со стопорами 17. Шарниры и упорные подшипники на траверсе и башмаках установлены на косых шайбах, снабженных механизмами поворота со стопорами 18. Причем углы α между осями шеек 5 и цапф 6 в кривошипах, а также углы β при размещении шарниров и упорных подшипников на концах траверсы и на башмаках устанавливаются соответствующими комфорту и условиям движения человека. Во время движения эти установки выполняются с помощью поворотных механизмов, связанных гибкими валами с пультом управления 19. В пассивном экзоскелете приводом является мышечная система человека. В активном экзоскелете на траверсе 2 установлен соединенный с ведущим валом силовой привод 20 и блок питания.

В фазе опоры на оба башмака 4 сила тяжести, посредством траверсы 2, распределяется на составленные из соединенных с помощью шарниров звеньев 13 опорные стойки 3 и ноги человека. Звенья в шарнирах спрямлены и зафиксированы червячными механизмами 14 в положении, подобном положению голеностопного, коленного и тазобедренного суставов человека. Общий центр тяжести направлен вертикально между площадями опорных башмаков 4, горизонтальная составляющая сил при этом равна нулю. Пружины 11 занимают нейтральное положение. Положение человека устойчиво, и он с расслабленным состоянием мышц может стоять длительное время.

Фаза шага в пассивном экзоскелете начинается при появлении внутренней силы мышц туловища и плеч на рычагах 10. В активной форме экзоскелета включается дополнительный силовой привод 20, соединенный с ведущим валом 9. Вал 9 поворачивается в шарнире, установленном в центре траверсы 2. Цапфы 6 кривошипов посредством механизмов 8 синхронно с валом 9 вращаются в шарнирах и упорных подшипниках, установленных на концах траверсы 2 и башмаках 4. Шейки 5 кривошипов, соединенные гибким валом 7, вращаются в шарнирах и упорных подшипниках, установленных на концах стоек 3. Стойки описывают конические поверхности и, как образующие, при повороте меняют в пространстве направление угла наклона к опорной поверхности и башмакам 4. Изменяется положение опирающейся на стойки траверсы и связанной с ней тазобедренной части. При ходьбе человек поворачивает туловище и плечо, например левое, вперед. Траверса 2 наклоняется и поднимает правую стойку 3 вместе с башмаком 4 над опорой, а левый башмак остается на ней опорным. Вместе с траверсой изменяет положение тазобедренная часть, а корпус инвалида изгибается в сторону поворота плеча. Общий центр силы тяжести смещается влево и вперед, в площадь опоры левого башмака. При этом момент силы привода 20 в активном режиме понуждает мышцы сокращаться подобно сокращению мышц у здорового человека. Одновременно с поворотом вала 9 реверсивно вращаются гибкие валы 15, с установленными на них храповыми механизмами 16. Механизмы 16 снабжены храповиками, соединенными жестко валами 15, и двумя собачками на поводках, связанными с ведущим валом 9 посредством тяг. Собачки передают момент вращения храповикам и валам 15. Связанные с валами 15 червяки механизмов 14 вращаются, поворачивают звенья 13 в шарнирах и стопорят их. Связанный с правой стойкой башмак 4 поворачивается, отталкивается от опорной поверхности передней кромкой и способствует перемещению центра тяжести в площадь опоры левого башмака. В момент потери контакта передней кромки правого башмака с опорой экзоскелет опирается стойкой только на шарнир и упорный подшипник левого башмака. Система приобретает неустойчивость и под действием момента горизонтальной составляющей силы тяжести и внутренних сил, подобно циркулю, поворачивается в шарнире и упорном подшипнике относительно левого опорного башмака, преодолевая силы трения. Пружины 11, связывающие башмаки со стойками и траверсой, во время поворота закручиваются, но малая величина их жесткости не оказывает существенного противодействия процессу поворота экзоскелета. Они лишь ориентируют башмаки относительно направления движения при поднятом их положении. Правый башмак поднимается над опорой, смещается вперед и затем опускается на нее, удерживаясь в нейтральном положении муфтами и демпферами 11. Вновь экзоскелет, опираясь на оба башмака 4, переходит в фазу устойчивого состояния. Начинается новая фаза шага левой ногой. Динамические характеристики меняются по желанию человека. Для этого изменяется взаимное положение косых шайб с помощью механизмов со стопорами 18, и взаимное положение шеек 5 и цапф 6 кривошипов с помощью механизмов со стопорами 17. Такие действия приводят к изменению углов α и β. Изменяя установочные углы α и β, а также амплитуду поворота мышечной системы, соответствующую амплитуде углов поворота кривошипов, и амплитуду поворота в суставах 12 звеньев 13, изменяя частоту привода, человек меняет походку.

Подъем по ступеням лестницы происходит следующим образом. В пассивном и активном экзоскелете, как и при ходьбе, под влиянием сил мышц и привода 20 поворачивается вал 9 и связанные с ним посредством параллелограммного механизма 8 и гибкого вала 7 цапфы 6 кривошипов. Углы наклона опорных стоек к поверхностям башмаков, и траверсы изменяются и один из башмаков поднимается над опорной ступенью. Одновременно поворачиваются связанные с валом 9 посредством храповых механизмов 16 гибкие валы 15 и червяки механизмов 14, что приводит к повороту звеньев 13 в шарнирах экзосуставов 12. Суммарное воздействие складывающихся в экзосуставах звеньев 13 и поворачивающихся кривошипов с шейками 5 и цапфами 6 доводит башмак до уровня ступени. После чего начинается циркульный поворот экзоскелета и проскальзывание башмака по поверхности ступени верхнего уровня. Теперь башмаки 4 располагаются на ступенях разных уровней, а положение экзоскелета соответствует фазе устойчивой опоры башмаков на две ступени и готовности к подъему другого башмака на следующую ступень. С этой целью человек новым сокращением мышц и приводом 20 выполняет реверс вала 9.

Читайте так же:  Как исчислить налог при усн 6

Спуск происходит подобным образом. Находясь обеими башмаками 3 на верхней ступени, человек усилием мышц и привода 20 приподнимает один из них. Как при ходьбе по ровной поверхности башмак сдвигается к краю ступени и теряет с ней контакт. После этого происходит реверс поворота плеч и туловища и привода 20, при котором мышечная система удерживает экзоскелет от неуправляемого движения вперед. Одновременно поворачиваются гибкие валы 15. Суммарное воздействие поворачивающихся стоек и складывающихся в суставах звеньев доводит башмак до уровня нижней ступени. Экзоскелет приобретает устойчивость и готовность к дальнейшему спуску.

Путем изменения длины составных опорных стоек 2 человек имеет возможность садиться и вставать. Для этого одну из собачек храпового механизма выводят из зацепления, в результате чего храповик приобретает возможность одностороннего ступенчатого поворота. Человек реверсивное усилие мышц и привода 20 направляет на складывание или спрямление звеньев 13 в экзосуставах 12. Человек садится или встает.

Пассивный и активный экзоскелет дает возможность человеку с нарушенным опорно-двигательным аппаратом, используя внутренние силы мышц туловища и плеч, а также дополнительного привода реверсивного вращения ходить по улице, спускаться и подниматься по лестнице, садиться и вставать. Причем сокращение мышц похоже на сокращение мышц при ходьбе здорового человека. Включение дополнительного привода создает условия, при которых происходит принудительное сокращение мышц, способствующее реабилитации.

Экзоскелет, содержащий одетый на человека корсет, траверсу, вмонтированную в него, закрепленную на тазобедренной части, опирающуюся своими концами на составленные из звеньев опорные стойки, башмаки, связанные со стойками, шарниры и упорные подшипники, размещенные на траверсе и башмаках, в которых вращаются цапфы кривошипов, установленных на концах стоек, ведущий вал, вращающийся в установленном на траверсе шарнире, механизм синхронного поворота кривошипов, соединенный посредством рычагов с мышцами человека, являющимися приводом, и дополнительный привод с блоком питания, отличающийся тем, что на верхних и нижних звеньях стоек размещены шарниры и упорные подшипники, в них вращаются шейки кривошипов, шейки между собой соединены гибкими валами, звенья стоек соединены посредством шарниров, снабженных механизмами поворота, которые соединены гибкими валами с помощью пульта управления с мышцами и дополнительным приводом, траверса с башмаками связана упругими муфтами и демпферами.

WO2015174890A1 — Грузовой экзоскелет, спинной карданный узел и кольцевой кардан грузового экзоскелета — Google Patents

Classifications

    • A — HUMAN NECESSITIES
    • A61 — MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H — PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H3/00 — Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about

ГРУЗОВОЙ ЭКЗОСКЕЛЕТ, СПИННОЙ КАРДАННЫЙ УЗЕЛ И КОЛЬЦЕВОЙ КАРДАН

Изобретение относится к области удовлетворения жизненных потребностей человека и может быть использовано в туризме, спорте, при проведении спасательных и армейских операций.

Заявляемая конструкция, прежде всего, предназначена для снятия нагрузки с мышц и скелета человека при переноске тяжестей. Экзоскелет, принимая на себя вертикальную составляющую веса груза, разгружает позвоночник, суставы и ноги человека при ходьбе, поэтому устройство также может использоваться и в медицинской технике, в частности в травматологии и ортопедии.

Известно большое количество технических решений экзо или «внешних» скелетов, реализующих идею разгрузки, состоящих из каркаса с элементами крепления к туловищу, двух пар рычагов, шарнирно соединенных между собой, которые выполняют функции бедра и голеностопа, а также с каркасом и опорой стопы. Указанные устройства приводятся в движение под действием мышц, поэтому относятся к пассивным конструкциям.

Известен экзоскелетон по патенту РФ 21 10243 (А61 Н 3/00, публ. 10.05.1998). Устройство содержит каркас в виде опорных платформ, располагаемых внутри обуви, элементы крепления к конечностям, тазобедренные и голеностопные рычаги с осями, тазобедренный шарнирный узел, соединенный со спинкой, состоящей из набора пластин и накладок. Недостатками известного решения являются: узкая специализация устройства — помощь инвалидам (дополнительные детали, заменяющие стул), недостаточная подвижность корпуса, нет возможности поворачивать ногу вокруг вертикальной оси, у голеностопа только одна степень свободы (по пересеченной местности идти не получится), снимать и одевать устройство можно только целиком (включая обувь).

Известен экзоскелетон по патенту РФ N°2493805 (публ. 27.09.2013), содержащий опорные стойки и башмаки, который включает траверсу с шарниром на ее центральной части, в котором вращается вал, при этом на концах траверсы установлены шарниры и упорные подшипники, в которых вращаются опорные стойки, Причем экзоскелетон вмонтирован в одетый на человека комбинезон, с помощью которого траверса закреплена на тазобедренной части, ноги соединены с башмаками, а вал снабжен рычагами, которые связаны с мышечной системой туловища и плеч, являющейся приводом вала. Недостатками известного решения являются то, что элементы устройства вмонтированы в комбинезон, при этом опорные стойки размещены по бокам, что позволяет снимать и одевать устройство только целиком, что ухудшает его эргономику.

Известен экзоскелетон по заявке США US2014100493, который включает мягкие ремни типа «рюкзака», который преимущественно взаимодействует с талией, спиной и плечами пользователя. Шасси обеспечивает монтаж двух принудительных приводов ног. Каждая нога экзоскелета выполняет функции, аналогичные движению человеческой ноги, в том числе тазобедренного сустава, бедра, коленного сустава, икры и крепится манжетами к ноге пользователя в области бедра, голени, а под подошвой ноги пользователя расположена пластина. Силовые приводы представлены в тазобедренных и коленных суставах экзоскелета, и, возможно, в других местах. Однако данная конструкция предполагает использование силовых приводов, что усложняет конструкцию и удорожает использование, при этом: у конструкции более крупные габариты, большая масса, недостаточная подвижность корпуса, зависимость от источников питания, более высокие требования к техническому обслуживанию.

Известен экзоскелетон по заявке США US2013303950 предназначенный для переноски дополнительного веса спереди. Экзоскелетон включает в себя несущий отсек, соединенный через поясничную секцию с возможностью поворота с первой и второй опорами для ног с соответствующими тазобедренными суставами, которые позволяют сгибании и разгибании вокруг соответствующих осей бедра. Также используется устройство противовеса, в качестве вспомогательного массы позади несущего отсека экзоскелета таким образом, что сбалансировать нагрузку в передней части с помощью механизмов в виде катушек, чтобы поднять или опустить переднюю нагрузку по отношению к несущему отсеку экзоскелетона.

Недостатком известного решения является то, что у конструкции более крупные габариты, большая масса, недостаточная подвижность корпуса, зависимость от источников питания, более высокие требования к техническому обслуживанию, с внешними опорными площадками для обуви больше вероятность споткнуться или зацепиться за неровности рельефа местности.

Известен пассивный грузовой экзоскелетон по патенту РФ N°2362598 (публ. 27.07.2009J, содержащий каркас с элементами крепления к туловищу, две пары тазобедренных и голеностопных рычагов, соединенных между собой посредством коленных шарниров с элементами фиксации, и шарнирно связанных свободными концами с каркасом и опорами стоп, где каркас выполнен в виде двухчастного корсета, с укрепленными на нем продольными направляющими, переходящими с передней на заднюю часть корсета, при этом соединение рычагов с каркасом осуществляется посредством компенсатора, установленного с возможностью перемещения по направляющим при изменении угла между каркасом и тазобедренным рычагом, а рычаги выполнены в виде пространственных оболочек, размещаемых с возможностью фиксации на передней части бедра и голени элементами крепления, а элемент крепления к опорам стоп выполнен в виде шарнирного узла, фиксируемого на обуви с возможностью поворота стопы вокруг трех осей координат. Данное решение рассматривается заявителем в качестве ближайшего аналога.

Недостатком известной конструкции является недостаточная подвижность корпуса, сложность и вес узлов, увеличивающих массу устройства, требовательность к обслуживанию (по сравнению с заявленным устройством), а следовательно, недостаточно высокие эргономические характеристики использования и безопасности перемещения, например, нет возможности легкого разъединения отдельных узлов экзоскелета.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное решение, является увеличение коэффициента отношения массы переносимого груза к собственной массе экзоскелета при улучшенной эргономичности конструкции, повышении эксплуатационной надежности с одновременным снижением габаритных размеров и веса изделия.

Заявляемая конструкция позволяет продолжительное время переносить тяжести на большие расстояния, с приложением минимума усилий и без вреда для здоровья. При этом конструкция предполагает возможность легкого отсоединения и снятия отдельных частей экзоскелета. Данное устройство будет полезно: альпинистам, туристам, путешественникам, военнослужащим, спасателям, пожарникам, а также инвалидам.

Заявленный технический результат достигается тем, что в грузовом экзоскелете, содержащем каркас с элементами крепления к туловищу, две пары тазобедренных и голеностопных рычагов, выполненных в виде пространственных оболочек, соединенных между собой посредством коленных шарниров и шарнирно связанных свободными концами с каркасом и через вилку голеностопа с опорами стоп, вставленных в интегрированную обувь, каркас состоит из плечевого блока, в виде комбинации X образно соединенных пластин, Г-образно изогнутых на концах, и соединенным с ним спинным карданным узлом через две опорные площадки, поясничного блока, состоящего из пояса-коромысла, изогнутого по форме поясничной области тела человека, где в верхней серединной точке коромысла крепится опорная площадка спинного кардана, а концы коромысла с элементами крепления колец карданов опущены и находятся на уровне тазобедренных суставов, при этом соединение пространственных оболочек тазобедренных рычагов с каркасом осуществляется посредством кольцевых карданов, с двумя степенями свободы поворота тазобедренных рычагов, основания которых через угловые консоли связаны с площадками скольжения, установленными на пространственных оболочках тазобедренных рычагов, с возможностью перемещения консоли по направляющим площадок при изменении угла между каркасом и пространственными оболочками тазобедренных рычагов, при этом соединение опорных площадок с вилкой голеностопа выполнено разъемным.

При этом пластины плечевого блока могут быть выполнены с возможностью регулировки размера, а в качестве элементов крепления к туловищу могут быть использованы ремни.

Спинной карданный узел грузового экзоскелета состоит из крестового кардана, соединяющего две трубки, с заглушками на противоположных концах, и фиксатора, выполненного в виде внешней втулки, и установлен в опорных площадках с возможностью вращения вокруг оси.

Читайте так же:  Нулевая отчетность как заполнять

При этом площадки скольжения могут быть установлены на пространственных оболочках тазобедренных рычагов с помощью как неразъемного, так и разъемного соединения.

При этом разъемное соединение опорной скобы обеспечивается фиксаторами- защелками, шарнирно связанными с вилкой голеностопа и взаимодействующими с боковыми упорами опорных площадок, а вилка голеностопа может иметь два боковых прилива, ограничивающих боковую амплитуду колебания стопы.

Кольцевой кардан грузового экзоскелета выполнен в виде сборки кольца, ползуна, хомута и основания, с возможностью перемещения внутренней поверхности цилиндрического ползуна по кольцу, при одновременной возможности вращения хомута, соединенного с основанием, по внешней поверхности ползуна. При этом на ползуне имеются выступы, препятствующие сползанию хомута с ползуна, а специальные выступы на ползуне и основании кольцевого кардана ограничивают маховое движение правой ноги влево (и точно также для левой ноги вправо), что предотвращает складывание конечностей в этих направлениях и делает перенос груза более комфортным.

Заявленная конструкция поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 представлены общие виды надетого на человека грузового экзоскелета, где 1 — плечевой блок, 2 — спинной карданный узел с опорными площадками 3, поясничный блок — 4, соединенный с пространственными оболочками бедра 5, кольцевыми карданами 6, пространственные оболочки голени 7, соединены с вилкой голеностопа 8, с установленными опорными площадками 9. Элементы конструкции закрепляются на теле человека с помощью элементов крепления 10, например, ремней с пряжками.

На фиг. 2 представлена конструкция каркаса, состоящего из плечевого и поясничного блоков и спинового карданного узла. Где 1 1 — комбинации X образно соединенных пластин, изогнутых на концах по форме отвечающей плечевому поясу человека. Две верхние пластины плечевого блока 12 принимаю на себя вес груза, а две боковые пластины 13 фиксируют положение блока относительно тела человека. Пластины могут быть единым целым или быть выполненными раздвижными 14 с возможностью регулировки размера. Опорная площадка спинного карданного узла 15 крепится в центре комбинации X образно соединенных пластин с помощью винтов или может быть выполнена как единое целое с плечевым блоком. Пояс-коромысло 16, изогнут по форме поясничной области тела человека, где в верхней серединной точке коромысла крепится опорная площадка спинного кардана 77, а концы коромысла с элементами крепления карданов 18 опущены и находятся на уровне тазобедренных суставов.

На фиг. 3 представлена конструкция спинного карданного узла 2. Где 19- крестовой кардан, соединяющий две трубки 20 и 21 , с заглушками 22 на противоположных концах, и фиксатора 23, выполненного в виде внешней втулки (см. фиг. 2). Диаметр кардана равен диаметру трубок. Фиксатор сделан в виде втулки, которая с небольшим натягом может перемещаться по трубкам. Внешняя сторона фиксатора сделана рифленой, чтобы рука не скользила, перемещая фиксатор. При переносе груза фиксатор опускается вниз, происходит блокировка кардана. Это дает необходимую жесткость конструкции для комфортного переноса груза. Когда фиксатор поднят, кардан позволяет человеку совершать наклоны позвоночником, что благоприятно сказывается на эргономичности. Конец одной из трубок вставляется в опорную площадку и фиксируется в ней винтом через резьбовое отверстие в заглушке 22. Данный вид соединения позволяет карданному узлу вращаться вокруг своей оси относительно корпуса. Это дает человеку возможность поворачивать верхнюю часть тела вправо и влево. На фиг. 4 показана конструкция кольцевого кардана грузового экзоскелета, выполненого в виде сборки кольца 24, с элементом крепления 25 к поясу-коромыслу 16, ползуна — 26, хомута — 27 и основания 28, с возможностью перемещения внутренней поверхности цилиндрического ползуна по кольцу, при одновременной возможности вращения хомута, соединенного с основанием, по внешней поверхности ползуна. При этом на ползуне имеются каплевидные выступающие торцы 29, препятствующие как сползанию хомута с ползуна, так и ограничивающие маховое движение правой ноги влево (и точно также для левой ноги вправо), что предотвращает складывание конечностей в этих направлениях и делает перенос груза более комфортным.

На фиг. 5 и 6 показана система крепления кольцевого кардана к пространственным оболочкам бедра 5. К основанию 28 кольцевого кардана крепится консоль — 30. Другой конец консоли изогнут под углом, примерно, 90 градусов и имеет цилиндрическую поверхность. На этой поверхности, с внутренней стороны может быть предусмотрено углубление 31 , являющееся местом сбора инородных частиц, попавших между площадкой скольжения и консолью, одновременно является пространством перемещения фиксирующего винта консоли 32, ограничивающего перемещение консоли по площадке скольжения 33 с направляющими 34, не давая выскочить консоли из площадки в крайнем положении. Для увеличения износостойкости трущихся поверхностей направляющих площадки и консоли, может быть использована металлическая накладка 35.

С обратной стороны площадки скольжения имеются 2 упора для соединения с конечностью (пространственной оболочкой бедра). В упрощенном стационарном варианте площадка скольжения может крепиться к пространственной оболочке бедра с помощью винтов (при этом упоры не используется). При съемном соединении бедро имеет на фронтальной стороне 2 отверстия 36, упор для площадки скольжения 37 и подпружиненный фиксатор 38. Площадка прикладывается к бедру, подпружиненный фиксатор утапливается, упоры на площадке входят в отверстия бедра и площадка продвигается вниз, до упора. При этом срабатывает фиксатор, который не дает площадке подняться обратно и выйти из зацепления.

На фиг. 7 показана система крепления опорной площадки 9. Пространственные оболочки бедра 5 и голени 7 соединяются винтами через подшипники скольжения 39. Голень соединяется с вилкой голеностопа с помощью винта через подшипник скольжения 40. Вилка голеностопа 8 имеет вид коромысла, с опущенными, параллельными концами. У вилки голеностопа есть боковые приливы 41 , ограничивающих боковую амплитуду (вправо-влево) колебания стопы, во избежание повреждения связок. К концам вилки голеностопа через подшипники скольжения 42 присоединены фиксаторы-защелки 43, обеспечивающие разъемное соединение опорной площадки 9. Скоба опорной площадки 9 вставляется в обувь, например, под стельку. Снаружи обуви, с 2х сторон прикладываются боковые упоры опорной площадки 44, например, в виде пластины в виде трапеций, с пазами в верхней части и прикручиваются винтами к опорной скобе, которые взаимодействуют с фиксаторами- защелками.

Для экзоскелета подойдет практически любой вид ботинок или кроссовок с жесткой подошвой.

Груз давит на плечевые пластины плечевого блока, через него нагрузка передается на заблокированный узел спинного кардана и далее на поясничный отдел. В поясничном узле нагрузка распределяется на две нижние конечности в пропорции, зависящей от наклона корпуса вправо или влево. От нижних конечностей нагрузка передается на опорные площадки, интегрированные в обувь, и уже через подошву взаимодействует с поверхностью, на которой стоит человек. Экзоскелет крепится на теле человека с помощью системы ремней с пряжками и «липучками»

Трущиеся поверхности, такие как подшипники скольжения или ползуны или накладки выполнены из металла, например, дюраля или титана. Их поверхность обработана с помощью МДО (микро-дугового оксидирования), в результате которого на поверхности образуется слой, состоящий из А Оз (корунда), не требующий смазки и не боящийся загрязнений. Остальные части экзоскелета могут быть выполнены из пластика, композитного материала, например, карбона, или легких металлов в зависимости от назначения и условий эксплуатации.

Детали конечностей располагаются с фронтальной стороны конечностей человека, что делает распределение нагрузки на бедро человека (при нагруженной согнутой ноге), на опорную площадку голеностопа равномерным и комфортным, чего нельзя сказать о экзоскелетах с боковым расположением рычагов нижних конечностей.

Разъемными соединениями экзоскелета являются опорная скоба и площадка скольжения, которые позволяют, при необходимости, отстегивать экзоскелет, не снимая обувь или отстегнуть верхнюю часть, например, при отсутствии груза, оставив пристегнутыми конечности, на которых может быть закреплен какой-либо груз.

Патент недели: экзоскелет — спасение для людей с ограниченными возможностями

Авторы: Елена Письменная, Екатерина Березий, Эдуард Лавровский, Андрей Кузмичев

Факторов, которые могут повлиять на нарушение функций опорно-двигательного аппарата, к сожалению, немало. Травмы позвоночника, инсульты, врожденные и приобретенные заболевания — многие из них могут негативно сказаться на способности человека в буквальном смысле передвигать ноги. Во многих подобных ситуациях инвалидное кресло, даже с самой совершенной системой управления недостаточное подспорье: оно дает возможность перемещения, возможность использования безбарьерной среды. Но с ним нельзя пройтись по лестнице, с ним нельзя прогуляться пешком, а длительное пребывание в неподвижности и вовсе ведет к атрофии мышц и отмиранию тканей.

Экзоскелет с внешним управлением, предложенный российскими изобретателями, может стать настоящим спасением для людей с ограниченными возможностями, у которых верхняя часть тела полностью сохранила все природные функции. Бортовой контроллер экзоскелета и внешняя, не носимая, часть из компьютера ассистента-специалиста с системой определения параметров желательной траектории и сохранения равновесия позволяют почти в полном объеме восстановить подвижность ног. Для людей с ограниченными возможностями вновь станут доступны лестничные пролеты и пешие прогулки с изменениями длины шага или темпа движения. При этом управляющие сигналы на приводы экзоскелета формируются с учетом масс-инерционных характеристик ног и тела человек, а также элементов экзоскелета. Качеству управления в данной разработке уделяется особое внимание.

Отечественный экзоскелет в полной мере учитывает недостатки своих предшественников: так в американской версии аналогичную конструкцию нельзя применять людям с полной неподвижностью нижних конечностей, поскольку они не могут создавать мышечные усилия, а система управления не позволяет задавать паттерн ходьбы, аналогичный паттерну здорового человека. В наиболее близком, более раннем отечественном аналоге, отсутствует возможность изменения параметров движения: длины шага, высоты подъема ноги и темпа ходьбы. В изобретении также учтены эргономические требования к эксплуатации экзоскелета, что делает работу с ним максимально естественной и комфортной.

Подробное изложение преимуществ отечественной разработки читайте в опубликованном патенте.

RU2567589C1 — Экзоскелет — Google Patents

Экзоскелет относится к области жизнеобеспечения человека. Экзоскелет предназначен для реабилитации людей с нарушенным опорно-двигательным аппаратом, и может найти военное применение и применение при ликвидации чрезвычайных ситуаций.

Известны экзоскелеты, реализующие идею разгрузки человека, содержащие каркас с элементами крепления к туловищу, рычаги, шарнирно соединенные между собой, например патенты РФ №№2116063, 2200529, 2110243, 2362598. Однако они не обеспечивают автономную ходьбу человека с нарушенным опорно-двигательным аппаратом.

Прототипом является экзоскелет инвалида, патент РФ №2493805, содержащий опорные стойки, башмаки, траверсу с шарниром на ее центральной части, в котором вращается ведущий вал, соединенный с мышечной системой, являющейся приводом. Однако его динамические характеристики низки, эксплуатационные возможности ограничены, например экзоскелет не может быть использован человеком, не имеющим ног.

Читайте так же:  Приказ 552 минтруда

Техническим результатом, на обеспечение которого направлено заявляемое техническое решение, является экзоскелет, позволяющий человеку снизить нагрузку на суставы и увеличить силу и выносливость, а при нарушении опорно-двигательного аппарата и при отсутствии ног ходить, садиться и вставать.

Экзоскелет содержит одетый на человека корсет, траверсу, вмонтированную в него, закрепленную на тазобедренной части, опирающуюся своими концами на составленные из звеньев опорные стойки, башмаки, связанные со стойками, шарниры и упорные подшипники, размещенные на траверсе и башмаках, в которых вращаются цапфы кривошипов, установленных на концах стоек, ведущий вал, вращающийся в установленном на траверсе шарнире, механизм синхронного поворота кривошипов, соединенный посредством рычагов с мышцами человека, являющимися приводом, и дополнительный привод с блоком питания. На верхних и нижних звеньях стоек размещены шарниры и упорные подшипники, в них вращаются шейки кривошипов, шейки между собой соединены гибкими валами, звенья стоек соединены посредством шарниров, снабженных механизмами поворота, которые соединены гибкими валами с помощью пульта управления с мышцами и дополнительным приводом, траверса с башмаками связана упругими муфтами и демпферами.

Изобретение поясняется чертежами, где: на фиг. 1 — вид сзади; на фиг. 2 — вид слева, опора на два башмака; на фиг. 3 — вид слева, фаза поднятой ноги; на фиг. 4 — схема храпового механизма при движении вперед; на фиг. 5 — схема храпового механизма при посадке и вставании; на фиг. 6 — схема установки кривошипов.

Обозначения на чертежах: корсет 1, траверса 2, опорная стойка 3, башмак 4, шейка кривошипа 5, цапфа кривошипа 6, гибкий вал кривошипов 7, параллелограммный механизм 8, ведущий вал 9, рычаг 10, упругая муфта с демпфером 11, сустав 12, звено стойки 13, червячный механизм 14, гибкий вал червячного механизма 15, храповой механизм 16, шарнир 17 со стопором, косая шайба 18 со стопором, пульт управления 19, силовой привод 20.

Экзоскелет содержит одетый на человека корсет 1, траверсу 2, вмонтированную в него, закрепленную на тазобедренной части, стойки 3, связанные с траверсой 2 и башмаками 4. На траверсе 2, на стойках 3 и на башмаках 4 установлены шарниры и упорные подшипники. В шарнирах и упорных подшипниках вращаются кривошипы с шейками 5 и цапфами 6. Шейки 5 кривошипов соединены между собой гибким валом 7, а цапфы 6 связаны посредством параллелограммного механизма синхронного поворота 8 с вращающимся в установленном на траверсе шарнире ведущим валом 9. Вал соединен, посредством рычагов 10, с мышечной системой человека. Траверса 2 со стойками 3 и башмаками 4 связана упругими муфтами с демпферами 11. Опорные стойки 3 снабжены суставами 12, включающими звенья 13. Звенья соединены последовательно друг с другом с помощью шарниров и снабжены поворотными механизмами со стопорами, например червячными механизмами 14. Червяки механизмов 14 соединены с помощью гибких валов 15 и храповых механизмов 16 с валом 9. Храповой механизм содержит храповик, жестко соединенный с гибким валом 15, две собачки, установленные встречно, соединенные с поводком, и тягу, связанную с валом 9. Звенья 13 связаны эластичной связью, посредством корсета 1, со стопами, с голенями и с бедрами человека. Длина стоек 3 регулируется и устанавливается в соответствии с необходимой нагрузкой ног при реабилитации. Шейки 5 с цапфами 6 соединены с помощью шарниров и снабжены механизмами поворота со стопорами 17. Шарниры и упорные подшипники на траверсе и башмаках установлены на косых шайбах, снабженных механизмами поворота со стопорами 18. Причем углы α между осями шеек 5 и цапф 6 в кривошипах, а также углы β при размещении шарниров и упорных подшипников на концах траверсы и на башмаках устанавливаются соответствующими комфорту и условиям движения человека. Во время движения эти установки выполняются с помощью поворотных механизмов, связанных гибкими валами с пультом управления 19. В пассивном экзоскелете приводом является мышечная система человека. В активном экзоскелете на траверсе 2 установлен соединенный с ведущим валом силовой привод 20 и блок питания.

В фазе опоры на оба башмака 4 сила тяжести, посредством траверсы 2, распределяется на составленные из соединенных с помощью шарниров звеньев 13 опорные стойки 3 и ноги человека. Звенья в шарнирах спрямлены и зафиксированы червячными механизмами 14 в положении, подобном положению голеностопного, коленного и тазобедренного суставов человека. Общий центр тяжести направлен вертикально между площадями опорных башмаков 4, горизонтальная составляющая сил при этом равна нулю. Пружины 11 занимают нейтральное положение. Положение человека устойчиво, и он с расслабленным состоянием мышц может стоять длительное время.

Фаза шага в пассивном экзоскелете начинается при появлении внутренней силы мышц туловища и плеч на рычагах 10. В активной форме экзоскелета включается дополнительный силовой привод 20, соединенный с ведущим валом 9. Вал 9 поворачивается в шарнире, установленном в центре траверсы 2. Цапфы 6 кривошипов посредством механизмов 8 синхронно с валом 9 вращаются в шарнирах и упорных подшипниках, установленных на концах траверсы 2 и башмаках 4. Шейки 5 кривошипов, соединенные гибким валом 7, вращаются в шарнирах и упорных подшипниках, установленных на концах стоек 3. Стойки описывают конические поверхности и, как образующие, при повороте меняют в пространстве направление угла наклона к опорной поверхности и башмакам 4. Изменяется положение опирающейся на стойки траверсы и связанной с ней тазобедренной части. При ходьбе человек поворачивает туловище и плечо, например левое, вперед. Траверса 2 наклоняется и поднимает правую стойку 3 вместе с башмаком 4 над опорой, а левый башмак остается на ней опорным. Вместе с траверсой изменяет положение тазобедренная часть, а корпус инвалида изгибается в сторону поворота плеча. Общий центр силы тяжести смещается влево и вперед, в площадь опоры левого башмака. При этом момент силы привода 20 в активном режиме понуждает мышцы сокращаться подобно сокращению мышц у здорового человека. Одновременно с поворотом вала 9 реверсивно вращаются гибкие валы 15, с установленными на них храповыми механизмами 16. Механизмы 16 снабжены храповиками, соединенными жестко валами 15, и двумя собачками на поводках, связанными с ведущим валом 9 посредством тяг. Собачки передают момент вращения храповикам и валам 15. Связанные с валами 15 червяки механизмов 14 вращаются, поворачивают звенья 13 в шарнирах и стопорят их. Связанный с правой стойкой башмак 4 поворачивается, отталкивается от опорной поверхности передней кромкой и способствует перемещению центра тяжести в площадь опоры левого башмака. В момент потери контакта передней кромки правого башмака с опорой экзоскелет опирается стойкой только на шарнир и упорный подшипник левого башмака. Система приобретает неустойчивость и под действием момента горизонтальной составляющей силы тяжести и внутренних сил, подобно циркулю, поворачивается в шарнире и упорном подшипнике относительно левого опорного башмака, преодолевая силы трения. Пружины 11, связывающие башмаки со стойками и траверсой, во время поворота закручиваются, но малая величина их жесткости не оказывает существенного противодействия процессу поворота экзоскелета. Они лишь ориентируют башмаки относительно направления движения при поднятом их положении. Правый башмак поднимается над опорой, смещается вперед и затем опускается на нее, удерживаясь в нейтральном положении муфтами и демпферами 11. Вновь экзоскелет, опираясь на оба башмака 4, переходит в фазу устойчивого состояния. Начинается новая фаза шага левой ногой. Динамические характеристики меняются по желанию человека. Для этого изменяется взаимное положение косых шайб с помощью механизмов со стопорами 18, и взаимное положение шеек 5 и цапф 6 кривошипов с помощью механизмов со стопорами 17. Такие действия приводят к изменению углов α и β. Изменяя установочные углы α и β, а также амплитуду поворота мышечной системы, соответствующую амплитуде углов поворота кривошипов, и амплитуду поворота в суставах 12 звеньев 13, изменяя частоту привода, человек меняет походку.

Подъем по ступеням лестницы происходит следующим образом. В пассивном и активном экзоскелете, как и при ходьбе, под влиянием сил мышц и привода 20 поворачивается вал 9 и связанные с ним посредством параллелограммного механизма 8 и гибкого вала 7 цапфы 6 кривошипов. Углы наклона опорных стоек к поверхностям башмаков, и траверсы изменяются и один из башмаков поднимается над опорной ступенью. Одновременно поворачиваются связанные с валом 9 посредством храповых механизмов 16 гибкие валы 15 и червяки механизмов 14, что приводит к повороту звеньев 13 в шарнирах экзосуставов 12. Суммарное воздействие складывающихся в экзосуставах звеньев 13 и поворачивающихся кривошипов с шейками 5 и цапфами 6 доводит башмак до уровня ступени. После чего начинается циркульный поворот экзоскелета и проскальзывание башмака по поверхности ступени верхнего уровня. Теперь башмаки 4 располагаются на ступенях разных уровней, а положение экзоскелета соответствует фазе устойчивой опоры башмаков на две ступени и готовности к подъему другого башмака на следующую ступень. С этой целью человек новым сокращением мышц и приводом 20 выполняет реверс вала 9.

Спуск происходит подобным образом. Находясь обеими башмаками 3 на верхней ступени, человек усилием мышц и привода 20 приподнимает один из них. Как при ходьбе по ровной поверхности башмак сдвигается к краю ступени и теряет с ней контакт. После этого происходит реверс поворота плеч и туловища и привода 20, при котором мышечная система удерживает экзоскелет от неуправляемого движения вперед. Одновременно поворачиваются гибкие валы 15. Суммарное воздействие поворачивающихся стоек и складывающихся в суставах звеньев доводит башмак до уровня нижней ступени. Экзоскелет приобретает устойчивость и готовность к дальнейшему спуску.

Путем изменения длины составных опорных стоек 2 человек имеет возможность садиться и вставать. Для этого одну из собачек храпового механизма выводят из зацепления, в результате чего храповик приобретает возможность одностороннего ступенчатого поворота. Человек реверсивное усилие мышц и привода 20 направляет на складывание или спрямление звеньев 13 в экзосуставах 12. Человек садится или встает.

Пассивный и активный экзоскелет дает возможность человеку с нарушенным опорно-двигательным аппаратом, используя внутренние силы мышц туловища и плеч, а также дополнительного привода реверсивного вращения ходить по улице, спускаться и подниматься по лестнице, садиться и вставать. Причем сокращение мышц похоже на сокращение мышц при ходьбе здорового человека. Включение дополнительного привода создает условия, при которых происходит принудительное сокращение мышц, способствующее реабилитации.