ЭКЗОСКЕЛЕТОН Российский патент 1998 года по МПК A61H3/00 

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

Известно усовершенствованное устройство искусственной ноги с коленным суставом, содержащее каркас, состоящий из тазобедренного и голеностопного рычагов с элементами крепления к конечности, стабилизированный механизм коленного сустава, в состав которого входят полый тормозной барабан и расположенная внутри этого барабана тормозная колодка, причем барабан и колодка кинематически соединены с различными рычагами, а колодка может входить в фрикционное зацепление с внутренней поверхностью барабана для создания сопротивления изгибу ноги, когда последняя находится под нагрузкой [1].

Совпадающими с предлагаемым устройством признаками являются каркас, состоящий из тазобедренного и голеностопного рычагов с элементами крепления к конечности, шарнирный узел с механизмом фиксации, кинематически соединенный с рычагами и предназначенный для создания сопротивления взаимному складыванию рычагов, когда они находятся под нагрузкой.

Устройство препятствует взаимному складыванию рычагов, когда они находятся под нагрузкой, независимо от направления их углового перемещения, что сужает область его применения.

Известно также устройство для шагового перемещения, содержащее каркас с элементами креплния 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 взаимодействующей с ними собачкой и средством управления собачкой [2].

Совпадающими с предлагаемым устройством признаками являются каркас в виде пары рычагов с элементами крепления к конечности, каждая из которых состоит из соединенных между собой посредством шарнирных узлов тазобедренного и голеностопного рычагов, и шарнирно связанные со свободными концами голеностопных рычагов опорные платформы. Шарнирные узлы, соединяющие рычаги, снабжены механизмом фиксации шарнирного узла со средствами управления им.

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 искусственный коленный сустав, содержащий каркас в виде тазобедренного и голеностопного рычагов с элементами крепления к конечности, связанных шарнирным узлом, состоящим из муфты свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения, расположенной на поворотном пальце, шарнирный узел включает в себя механизм фиксации кольцевого зажима, расположенный вокруг обоймы муфты свободного хода, состоящий из двухэлементной разгибающейся детали, в состав которой входят корпус, поворотный в направлении втулки и соединенный с тазобедренным рычагом, и одного конца кольцевого зажима, а также рычаг, поворотный в направлении указанного конца зажима и соединенный с другим концом зажима; указанный рычаг является регулированным (по углу) относительно корпуса; поворотный палец, соединяющий указанные две части элемента с тазобедренным рычагом, является эксцентричным и подвижным.

Общими с предлагаемым техническим решением признаками являются каркас в виде тазобедренного и голеностопного рычагов с элементами крепления к конечности, связанных шарнирным узлом, состоящим из муфты свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения, расположенной на поворотном пальце, шарнирный узел включает в себя механизм фиксации кольцевого зажима, расположенного вокруг обоймы муфты свободного хода, состоящий из двухэлементной разгибающейся детали, в состав которой входят корпус, поворотный в направлении втулки, соединенный с тазобедренным рычагом, и одного конца кольцевого зажима, а также рычаг, поворотный в направлении указанного конца зажима и соединенный с другим концом зажима, указанный рычаг является регулированным (по углу) относительно корпуса, поворотный палец, соединяющий указанные две части элемента с тазобедренным рычагом, является эксцентричным и подвижным.

Устройство применяется в протезировании, но не предназначено для использования в экзоскелетонах, а механизм фиксации кольцевого зажима не обеспечивает подкосоустойчивость шарнирного узла при вертикальном отклонении голеностопного рычага относительно опорной платформы, кроме того, оно имеет ограниченные функциональные возможности.

В основу изобретения поставлена задача создания такого устройства, в котором новое конструктивное выполнение каркаса и введение дополнительных элементов в шарнирный узел, позволяет получить устройство с расширенными функциональными возможностями и областями применения.

Поставленная задача решается устройством, содержащим каркас в виде тазобедренного и голеностопного рычагов с элементами крепления к конечности, связанных шарнирным узлом, состоящим из муфты свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения, расположенной на поворотном пальце, шарнирный узел включает в себя механизм фиксации кольцевого зажима, расположенного вокруг обоймы муфты свободного хода, состоящий из двухэлементной разгибающейся детали, в состав которой входят корпус, поворотный в направлении втулки и соединенный с тазобедренным рычагом, и одного конца кольцевого зажима, а также рычаг, поворотный в направлении указанного конца зажима и соединенный с другим концом зажима, указанный рычаг является регулированным (по углу) относительно корпуса, поворотный палец, соединяющий указанные две части элемента с тазобедренным рычагом, является эксцентричным и подвижным, при этом механизм фиксации шарнирного узла дополнительно содержит пружину, препятствующую складыванию тазобедренного и голеностопного рычагов, а корпус шарнирного узла содержит защитный кожух, каркас дополнительно содержит опорную платформу, шарнирно соединенную с нижним концом голеностопного рычага, при этом указанное шарнирное соединение выполнено с возможностью ограничения углового перемещения, тазобедренные рычаги выполнены спиралевидными, элементы каркаса дополнительно содержат съемную спинку, седло с тазобедренным шарнирным узлом и механизмом фиксации тазобедренных рычагов, дополнительный съемный каркас в виде двух шарнирно соединенных пар рычагов. Кроме того, тазобедренные рычаги могут быть выполнены с возможностью продольного осевого перемещения относительно корпуса тазобедренного шарнира.

Отличительными признаками предлагаемого устройства является то, что механизм фиксации шарнирного узла дополнительно содержит пружину, препятствующую складыванию тазобедренного и голеностопного рычагов, а корпус шарнирного узла содержит защитный кожух, каркас дополнительно содержит опорную платформу, шарнирно соединенную с нижним концом голеностопного рычага, при этом указанное шарнирное соединение выполнено с возможностью ограничения углового перемещения, тазобедренные рычаги выполнены спиралевидными, элементы каркаса содержат съемную спинку, седло с тазобедренным шарнирным узлом и механизмом фиксации тазобедренных рычагов, дополнительный съемный каркас в виде двух шарнирно соединенных пар рычагов. Кроме того, тазобедренные рычаги могут быть выполнены с возможностью продольного осевого перемещения относительно корпуса тазобедренного шарнира.

Совокупность вышеперечисленных признаков предлагаемого устройства позволяет получить технический результат, заключающийся в том, что обеспечивается создание жесткого съемного каркаса, предназначенного для обеспечения отдыха пользователя в сидячем положении с возможностью опоры на спинку.

На фиг. 1 изображен пользователь с экзоскелетоном в вертикальном положении, вид сбоку; на фиг. 2 - то же, в процессе приседания, вид сбоку; на фиг. 3 - то же, в сидячем положении, вид сбоку; на фиг. 4 - то же, в вертикальном положении, вид сзади; на фиг. 5 - шарнирный узел в сборе, вид сбоку; на фиг. 6 - тазобедренный шарнирный узел в сборе, вид сверху; на фиг. 7 - поперечный разрез; на фиг. 8 - голеностопный шарнир в сборе, вид сбоку.

Устройство (фиг. 1 - 4, 8) содержит каркас в виде опорных платформ 1, располагаемых внутри обуви, элементы крепления к конечностям 2, тазобедренные рычаги 3 с осями 4, голеностопные рычаги 5 с осями 6, 7 и выступами 8, тазобедренный шарнирный узел 9 (фиг. 6, 7), включающий корпус 10 с основанием 11 и крепежными отверстиями 12, оси 13, сферические подшипники (шаровые опоры) 14, поперечную опорную планку 15 с выступами 16, цилиндрические фиксаторы 17, пружины 18, кулачки 19 с выступами 20, оси 21, тяги 22, кольцо 23, седло 24, спинку, состоящую из пластины 25, пластин 26, накладок 27, шарнирные узлы 28 (фиг. 5), включающие двухэлементную деталь 29, коленчатый рычаг 30, кольцевой зажим 31 с неподвижным 32 и подвижным 33 концами, пальцы 34, 35, верхний 36 и нижний 37 винты, палец 38, эксцентричный рычаг 39, поворотный палец 40, пружину 41, обойму 42 муфты свободного хода, кронштейн 43 нижнего конца 44 тазобедренного рычага, регулировочные отверстия 45 на верхнем конце 46 голеностопного рычага, защитный кожух 47, резьбовые отверстия 48, дополнительный каркас (фиг. 1 - 3), включающий опорные рычаги 49 с платформой 50, рычаги 51, на верхних концах этих рычагов имеется фиксирующий механизм 52, а сами рычаги шарнирно соединены, тазобедренные рычаги имеют отверстия 53, на тыльной стороне седла имеется механизм фиксации пластины спинки 54.

Работа устройства. Предварительно каркас экзоскелетона закрепляется на теле пользователя. Для этого с помощью элементов крепления к конечностям 2 тазобедренные рычаги 3 прикрепляются к ногам, при этом стопа располагается на опорной платформе 1, седло 24 находится в паховой области, нижний конец пластины 25 закрепляется в механизме фиксации пластины спинки 54, накладки 27 удерживают спинку от выпадания и могут служить для поддержания груза. Существенным моментом является то, что спиралевидная форма тазобедренных рычагов 3 должна анатомически соответствовать форме бедра, а взаимное расположение и кривизна пластин 25, 26 - форме спины пользователя. Для решения проблемы подкосоустойчивости шарнирных узлов 28 в соответствии с анатомическими особенностями пользователя выбирается такой угол наклона выступов 8, который обеспечивает при согнутой в шарнирном узле конечности нахождение вертикальной проекции поворотного пальца 40 на уровне носка обуви. При вертикальном расположении выправленной конечности масса тела пользователя воздействует на седло 24, тазобедренный шарнирный узел 9, тазобедренные рычаги 3, шарнирные узлы 28, голеностопные рычаги 5, опорные платформы 1. Наличие зазоров между кронштейном 43 нижнего конца 44 тазобедренного рычага и выступающими концами винтов 36, 37, а также между клиновидным концом коленчатого рычага 30 и верхним винтом 36 позволяет осуществлять незначительный наклон тазобедренного рычага относительно голеностопного. Необходимость в этом возникает при последующем шаговом перемещении сразу же после вхождения в контакт стопы и опоры, когда требуется амортизирующее сгибание в коленном суставе на 8 - 16^o. При дальнейшем угловом перемещении нижнего конца 44 тазобедренного рычага относительно двухэлементной детали 29 блокируется подвижность шарнирных узлов за счет того, что масса пользователя через палец 38, двухэлементную деталь 29 воздействует на неподвижный конец 32 кольцевого зажима 31. Соответственно последний поворачивается вокруг обоймы 42 муфты свободного хода, а за ним и двухэлементная деталь 29 относительно неподвижного конца 32 кольцевого зажима 31 на пальце 34. Затем клиновидный конец коленчатого рычага 30 упирается в верхний 36 винт и также поворачивается на пальце 34. Тем самым короткий конец коленчатого рычага через палец 35 заставляет перемещаться подвижный конец 33 в сторону неподвижного конца 32 кольцевого зажима 31. В результате, кольцевой зажим 31 сжимается вокруг обоймы 42 и происходит ее полное торможение относительно тазобедренного рычага 3. Так как в муфте свободного хода заложено свойство одностороннего вращательного движения, то она блокирует взаимное складывание голеностопных и тазобедренных рычагов в шарнирном узле, не препятствуя их расправлению. Расправление последних невозможно в связи с взаимным упором половинок защитного корпуса 47 при выправленной конечности. От выпадания из устройства конечности предохраняют элементы крепления, а туловище - седло со спинкой и накладками.

Таким образом, при вертикальном положении тела и нижних конечностей пользователя без осуществления шагового перемещения полностью разгружается скелетно-мышечный аппарат и лишь частично используются мышечные усилия для блокирования подвижности в тазобедренных и голеностопных суставах. При этом масса пользователя и груза поддерживаются в тазобедренной и голеностопных областях на жестком каркасе, образованном седлом, тазобедренным шарнирным узлом, тазобедренными, голеностопными рычагами с элементами крепления к конечностям и опорными платформами.

Работа устройства в динамике отличается тем, что свобода перемещения нижних конечностей пользователя достигается перенесением центра тяжести на опорную ногу и освобождением за счет этого опорной платформы 1 неопорной конечности. Соответственно, под действием усилия расправления кольцевого зажима 31, пружины 41 и массы голеностопного рычага усилие прижатия кольцевого зажима к обойме 42 муфты свободного хода уменьшается и она обретает свободу вращения в противоположном направлении. Тем самым появляется возможность свободного сгибания-расправления в коленном суставе неопорной конечности. При движении вниз по лестнице либо приседании появляется необходимость в частичном подтормаживании кольцевым зажимом 31 муфты свободного хода. Для этого предварительно с помощью винтов 36, 37 устанавливается такой угол поворота коленчатого рычага 30, который обеспечивает требуемый эффект подтормаживания в момент критической нагрузки на шарнирный узел. Под последним подразумевается такое усилие воздействия на шарнирный узел, которое обеспечивает упор двухэлементной детали 29 в подвижный конец 33 кольцевого зажима 31. Расправление в шарнирном узле опорной ноги под нагрузкой, например при подъеме по лестнице, обеспечивается за счет заложенного свойства одностороннего движения в муфте свободного хода и нахождения тазобедренного и голеностопного рычагов под некоторым углом наклона друг относительно друга. Имеется возможность принудительного полного разблокирования шарнирного узла. Для этого перемещают вниз эксцентричный рычаг 22, чем достигается принудительное перемещение вверх до упора коленчатого рычага 29. В результате независимо от величины нагрузки на шарнирный узел он остается полностью разблокированным.

Дополнительно имеется возможность сидячего отдыха, в том числе с упором в спинку. Для этого к осям 4, 6 расположенных на внешней стороне голеностопных 5 и тазобедренных 3 рычагов с помощью фиксирующих механизмов 52 шарнирно закрепляются опорные рычаги 49 и рычаги 51. При вертикальном положении и выправленных нижних конечностях разгружают шарнирные узлы 28. Для этого смещается центр тяжести на фаланги пальцев ног и с помощью мышц голеностопов разгружают голеностопные рычаги 5. При предварительной регулировке на частичное торможение подвижности шарнирных узлов, как это было описано ранее, возможно приседание пользователя и без их разгрузки. В любом случае приседание осуществляют до тех пор, пока платформы 50 опорных рычагов 49 не упрутся в опорную поверхность, например в дорожное покрытие. Последнее происходит потому, что при приседании пользователя тазобедренные 3 и голеностопные 5 рычаги складываются в шарнирных узлах 28 и соответственно складываются и опорные рычаги 49, 51, поворачиваясь в шарнирном соединении. Для достижения возможности упора в спинку в момент полного приседания и опоры на седло 24 тазобедренные рычаги заводятся за выступы 16 поперечной опорной планки 15 и выдвигается кольцо 23. При этом кулачки 19, поворачиваясь вокруг осей 21, выдвигают цилиндрические фиксаторы 17, а их выступы 20 фиксируют это положение. Соответственно выдвинутые концы цилиндрических фиксаторов 17 входят в отверстия 53 цилиндрической формы, расположенные на тазобедренных рычагах 3. Для перехода в вертикальное положение следует подвинуть кольцо 23 в сторону носка седла 24. Тогда фиксаторы 17 под действием усилия пружин 18 задвигаются в выступы 16, не препятствуя угловому перемещению тазобедренных рычагов 3 относительно тазобедренного шарнирного узла. Наличие дополнительного каркаса не препятствует шаговому перемещению пользователя и позволяет осуществлять режим активного сидячего отдыха. Для удобства шагового перемещения тазобедренные рычаги могут быть выполнены с возможностью продольного осевого перемещения относительно корпуса тазобедренного шарнира.

Таким образом, по сравнению с известными техническими решениями, появилась возможность получить устройство с расширенными функциональными возможностями и областями применения.

Использование: в медицине, а именно в травматологии и ортопедии. Сущность: экзоскелетон содержит каркас в виде тазобедренного и голеностопного рычагов с элементами крепления к конечности, связанных шарнирным узлом, состоящим из муфты свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения, расположенной на поворотном пальце. Шарнирный узел кинематически связан с каркасом. Механизм фиксации шарнирного узла дополнительно содержит пружину, препятствующую складыванию тазобедренного и голеностопного рычагов. Корпус шарнирного узла содержит защитный кожух. Каркас дополнительно содержит опорную платформу, шарнирно соединенную с нижним концом голеностопного рычага. Шарнирное соединение выполнено с возможностью ограничения углового перемещения. Тазобедренные рычаги выполнены спиралевидными. Элементы каркаса дополнительно содержат съемную спинку, седло с тазобедренным шарнирным узлом и механизмом фиксации тазобедренных рычагов, дополнительный съемный каркас в виде двух шарнирно соединенных пар рычагов. 1 з.п.ф-лы, 8 ил. .

1. Экзоскелетон, содержащий каркас в виде тазобедренного и голеностопного рычагов с элементами крепления к конечности, связанных шарнирным узлом, состоящим из муфты свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения, расположенной на поворотном пальце, шарнирный узел включает в себя механизм фиксации кольцевого зажима, расположенного вокруг обоймы муфты свободного хода, состоящий из двухэлементной разгибающейся детали, в состав которой входят корпус, поворотный в направлении втулки, соединенный с тазобедренным рычагом, и одного конца кольцевого зажима, а также рычаг поворотный в направлении указанного конца зажима и соединенный с другим концом зажима, рычаг выполнен регулированным (по углу) относительно корпуса, поворотный палец, соединяющий указанные две части элемента с тазобедренным рычагом, выполнен эксцентричным и подвижным, отличающийся тем, что механизм фиксации шарнирного узла дополнительно содержит пружину, препятствующую складыванию тазобедренного и голеностопного рычагов, а корпус шарнирного узла содержит защитный кожух, каркас дополнительно содержит опорную платформу, шарнирно соединенную с нижним концом голеностопного рычага, при этом указанное шарнирное соединение выполнено с возможностью ограничения углового перемещения, тазобедренные рычаги выполнены спиралевидными, элементы каркаса дополнительно содержат съемную спинку, седло с тазобедренным шарнирным узлом и механизмом фиксации тазобедренных рычагов, дополнительный съемный каркас в виде двух шарнирно соединенных пар рычагов.