ЭКЗОСКЕЛЕТОН Российский патент 1997 года по МПК A63B23/00 A63B25/00 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно, к травматологии и ортопедии.

Известны муфты (механизмы) свободного хода, содержащие обойму и ступицу, между которыми расположены цилиндрические ролики, на которые воздействуют пружины. Между роликами и ступицей находится вилка, предназначенная для принудительного расклинивания роликов независимо от направления вращения обоймы. При перемещении обоймы относительно ступицы в сторону действия пружин, цилиндрические ролики заклиниваются между обоймой и ступицей, чем обеспечивается передача вращательного момента между этими деталями. При относительном вращении в противоположном направлении обоймы относительно ступицы происходит расклинивание роликов и передача момента прекращается. [1]
Используемых в данном устройстве конструктивных элементов недостаточно для кинематической увязки их с конструктивными элементами экзоскелетонов.

Известно устройство для шагового перемещения, содержащее каркас с элементами крепления к туловищу, шарнирно связанные с каркасом две пары рычагов, каждая из которых состоит из соединенных между собой посредством шарнирных узлов тазобедренного и голеностопного рычагов с элементами крепления к ногам, и шарнирно связанные со свободными концами голеностопных рычагов опорные платформы для обуви. Каждый из шарнирных узлов, соединяющий рычаги, снабжен механизмом фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением в виде сегмента с наклонными зубьями и взаимодействующий с ними собачкой и средством управления собачкой [2]
Устройство обеспечивает поддержание и передвижение пользователя, но не обладает достаточным удобством применения, так как механизм фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением излишне усложнен и имеет недостаточное количество зон фиксации.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является устройство, содержащее каркас с элементами крепления к туловищу, шарнирно связанные с каркасом две пары рычагов, каждая из которых состоит из соединенных между собой посредством шарнирного узла тазобедренного и голеностопного рычагов и соединена одним концом с каркасом а другим с платформой, являющейся основанием стремени, механизм фиксации шарнирного узла, соединяющий рычаги, кинематически связан с платформой. [3]
Известное устройство конструктивно усложнено и требует постоянного использования мышечных сил рук для поддержания и перемещения массы тела. Это, в свою очередь, не позволяет использовать мышечную силу рук для выполнения других функций например, перенос груза одновременно с поддержанием массы тела и передвижением. Кроме того, механизм фиксации шарнирного узла, соединяющий рычаги, имеет недостаточную плавность включения и не обеспечивает режим заклинивания в любой момент вращения.

В основу изобретения поставлена задача создать такое устройство, в котором новое конструктивное выполнение механизма фиксации шарнирного узла, голеностопного и тазобедренного рычагов, а также шарнира голеностопного сустава, позволяет получить экзоскелетон с расширенной зоной фиксации шарнирного узла, повышенной надежностью функционирования.

Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационных возможностей устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве механизм фиксации шарнирного узла состоит из обоймы, являющейся корпусом узла со свободой перемещения относительно голеностопного рычага и имеющей ограничительные упоры для перемещения рычагов, ступицы, кинематически связанной с тазобедренным рычагом, цилиндрических роликов, расположенных между ступицей и обоймой, с одной стороны которых расположены пружины, а с другой
вилка принудительного расклинивания роликов с пружиной, взаимодействующей со ступицей, при этом вилка кинематически связана с голеностопным рычагом с помощью клиновидного ползуна, пружины, взаимодействующей с корпусом шарнира и голеностопным рычагом, голеностопный рычаг выполнен подвижным относительно корпуса шарнирного узла, тазобедренный и голеностопный рычаги выполнены раздвижными со средствами фиксации, а голеностопные рычаги имеют фиксированный угол наклона относительно платформы тазобедренный рычаг соединен с корпусом шаровой опоры с возможностью продольного перемещения вдоль него.

На фиг.1 изображена кинематическая схема экзоскелетона; на фиг.2 - шарнирный узел без крышки, вид сбоку; на фиг.3 шарнирный узел, в разрезе.

Устройство (фиг.1) содержит каркас в виде седла с элементами крепления к туловищу, корпус шагового шарнира 1, тазобедренные рычаги 2 со щитками, шарнирные узлы 3 с механизмом фиксации, голеностопные рычаги 4, корпус 5 голеностопного шарнира 6, стремя 7, основание которого является платформой 8, располагаемое внутри обуви 9, механизм фиксации шарнирного узла (фиг.2 и 3), состоящей из корпуса шарнирного узла 10 с упорами 11 и спиралевидными канавками 12, пружины 13, вилки 14 с цилиндрической осью 15 и штифтом 16, роликов 17, пружин 18, обоймы 19, ступицы 20, клиновидного ползуна 21, паза 22, пружины 23 (фиг.1) нижнего корпуса 24 тазобедренного рычага, верхний конец тазобедренных рычагов перемещающийся в пазе корпуса 25 шаровой опоры 26, нижние концы голеностопного рычага с упорами 27.

Работа устройства следующая. Туловище и конечности пользователя крепят к экзоскелетону в тазобедренной области на седле и щитках, а в стельку обуви упираются голеностопные рычаги 4 со стременем 7. При вертикальном расположении туловища и расслаблении мышц ног, масса тела пользователя воздействует через седло на корпуса 25 шаровых опор 26, которые наползают на верхний конец тазобедренных рычагов 2. При этом верхний конец тазобедренных рычагов 2 перемещается в верхнюю часть паза корпуса 25 шаровой опоры 26. В дальнейшем происходит складывание в шарнирном узле 3 с механизмом фиксации тазобедренных и голеностопных рычагов 2 и 4 и в голеностопном шарнире 6 голеностопных рычагов 4 и платформ стремени 9. Взаимное перемещение рычагов 2 и 4 и стремени 7 происходит до тех пор, пока упоры 27 голеностопных рычагов 4 не ограничат перемещение в голеностопном шарнире 6. В результате создается жесткая опорная конструкция из стремени 7 и голеностопного рычага 4. В связи с тем, что тазобедренный рычаг 2 жестко фиксируется щитками относительно тазобедренных частей ног, происходит перемещение вниз вдоль каждого из пазов 22 клиновидного ползуна 21, который своей клиновидной частью воздействует на цилиндрическую ось 15 вилки 14, которая своим штифтом 16 перемещается в спиралевидных канавках 12 корпуса шарнирного узла 10. В результате вилка 14 осуществляет вращательное движение, отодвигаясь от роликов 17, которые под действием усилия пружин 18 и сил трения заклинивают ступицу 20 в обойме 19, обеспечивая тем самым неподвижность шарнирного узла 3. Такое перемещение клиновидного ползуна 21 возможно потому, что голеностопные части ног могут свободно перемещаться относительно конструкции из стремени 7 и голеностопного рычага 4. Таким образом, в результате возникающего заклинивания роликов 16 в шарнирных узлах 3 с механизмом фиксации блокируется возможность дальнейшего складывания тазобедренных 2 и голеностопных 4 рычагов. Вся опорная конструкция экзоскелетона обретает жесткость, достаточную для удержания массы тела пользователя. Для обеспечения достаточной подкосоустойчивости шарнирного узла 3 с механизмом фиксации, он не должен превышать величину смещения центра тяжести, при опоре на конструкцию, за носок обуви. Для обеспечения возможности приседания пользователя его центр тяжести смещается за носок обуви, либо пользователь с помощью мышц стопы расправляет голеностопный шарнир и с помощью мышц ног частично разгружает шарнирные узлы 3 с механизмами фиксации. При этом под действием усилия сжатия пружин 13 на основание вилки 14 ее цилиндрическая ось 15 задвигается в осевое отверстие ступицы 20. Одновременно выступающие концы штифта 18 перемещаются по спиралевидным канавкам 12 и вилка 14 совершает вращательное движение, а ее зубья оказывают давление на ролики 17, которые выводятся из состояния заклинивания между поверхностями ступицы 20 и обоймы 19. Тем самым шарнирный узел 3 с механизмом фиксации разблокируется и становится возможным взаимное складывание тазобедренных 2 и голеностопных 4 рычагов, т.е. осуществляется приседание пользователя. Фиксация выбранной глубины приседания, осуществляется повторным перенесением центра тяжести на стопу, что вновь позволяет создать жесткую опорную конструкцию экзоскелетона.

Таким образом, при вертикальном положении тела пользователя без осуществления шагового перемещения полностью разгружается скелетно-мышечный аппарат и лишь частично используются мышечные усилия для фиксирования подвижности в тазобедренных и голеностопных суставах. При этом масса пользователя и груза поддерживаются в тазобедренной и голеностопных областях на жестком каркасе, образованном каркасом в виде седла с элементами крепления, тазобедренными 2 и голеностопными 4 рычагами и стременами 7.

Работа устройства в динамике отличается тем, что свобода перемещения нижних конечностей пользователя достигается перенесением центра тяжести на опорную ногу и освобождением за счет этого платформы 8 стремени 7 не опорной конечности. Соответственно под действием усилия пружин 13 и 23 не опорная конструкция из голеностопного 4, тазобедренного 2 рычагов и стремени 7 разблокируется в шарнирном узле 3 с механизмом фиксации обеспечивая тем самым свободу сгибания и перемещения выдвигаемой конечности. Вся масса тела пользователя, перенесенная на опорную ногу, обеспечивает блокирование подвижности шарнирного узла 3 с механизмом фиксации расположенного на опорных элементах конструкции экзоскелетона. Как в том, так и в другом случаях работа механизмом блокирования и разблокирования подвижности шарнирных узлов не отличается от приведенной в разделе статики. Отличие в возможности распрямления рычагов шарнирных узлов 3 с механизмами фиксации под нагрузкой. Например, при движении вверх по лестнице. При этом выдвигаемая нижняя конечность должна находиться под нагрузкой при вертикальном расположении голеностопного рычага. Допускается наклон этого рычага до величины допустимого угла поворота в голеностопном шарнире 6. В этом случае достигается надежная подкосоустойчивость шарнирного узла 3 с механизмом фиксации и обеспечивается возможность распрямления его под нагрузкой за счет свойства односторонней подвижности шарнирного узла, являющегося муфтой свободного хода. Разблокирование подвижности шарнирного узла 3 под нагрузкой происходит за счет того, что при обратном вращательном движении ступицы 20 относительно обоймы 19 под действием сил трения ролики 17 перемещаются в сторону пружин 18 и расклинивают шарнирный узел 3.

Для достижения возможности приседания пользователя его центр тяжести смещается в сторону носков обеих ног, в результате происходит разгрузка шарнирных узлов 3 и становится возможным складывание голеностопных и тазобедренных рычагов 2 и 4 в этих узлах. При этом скорость приседания регулируется усилием соответствующих мышц бедра и голени и всегда существует возможность отдыха на любой стадии подъема и приседания за счет возможности управления подвижностью шарнирных узлов 3 при смещении центра тяжести. На это требуется незначительное мышечное усилие. Значит и появляется возможность, например, медленного приседания пользователя.

Наличие возможности перемещения тазобедренного рычага 2 относительно корпуса 25 шаровой опоры 26 позволяет динамически ликвидировать имеющуюся осевую биомеханическую рассогласованность между пространственным положением тазобедренного сустава человека и шаровыми опорами 26. При перемещении вниз по лестнице эффект блокирования подвижности шарнирных соединений рычагов опорной конечности требует определенных голеностопных мышечных усилий для того, чтобы разгрузить в требуемый момент шарнирный узел 3 опорной конечности. Но эти усилия также незначительны, если пользователь спускается спиной или боком как при спуске со стремянки. Для всех режимов перемещения существенным является повышенная надежность функционирования шарнирных узлов и их относительная бесшумность в работе.

Использование: в спорте и медицине. Сущность изобретения: тазобедренные и голеностопные рычаги одним концом соединены с каркасом, а другим с основанием стремени. Механизм фиксации шарнирного узла, соединяющего рычаги, состоит из обоймы, ступицы, цилиндрических роликов и пружины. Тазобедренный и голеностопный рычаги выполнены раздвижными. Голеностопные рычаги имеют фиксированный угол наклона относительно платформы. Тазобедренные рычаги соединены с корпусом шаровой опоры с возможностью продольного перемещения вдоль него. 3 ил.

Экзоскелетон, содержащий каркас с элементами крепления к туловищу, шарнирно связанные с каркасом две пары рычагов, каждая из которых состоит из соединенных между собой посредством шарнирного узла тазобедренного и голеностопного рычагов и соединена одним концом с каркасом, а другим с платформой, являющейся основанием стремени, механизм фиксации шарнирного узла, соединяющий рычаги, кинематически связан с платформой, отличающийся тем, что механизм фиксации шарнирного узла состоит из обоймы, являющейся корпусом узла со свободой перемещения относительно голеностопного рычага и имеющей ограничительные упоры для перемещения рычагов, ступицы, кинематически связанной с тазобедренным рычагом, цилиндрических роликов, расположенных между ступицей и обоймой, с одной стороны которых расположены пружины, а с другой - вилка принудительного расклинивания роликов с пружиной, взаимодействующей со ступицей, при этом вилка кинематически связана с голеностопным рычагом с помощью клиновидного ползуна, пружины, взаимодействующей с корпусом шарнира и голеностопным рычагом, голеностопный рычаг выполнен подвижным относительно корпуса шарнирного узла, тазобедренный и голеностопный рычаги выполнены раздвижными со средствами фиксации, а голеностопные рычаги имеют фиксированный угол наклона относительно платформы, тазобедренный рычаг соединен с корпусом шаровой опоры с возможностью продольного перемещения вдоль него.