ЭКЗОСКЕЛЕТОН Российский патент 1998 года по МПК A61H3/00 

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

Известный искусственный коленный сустав, содержащий каркас в виде тазобедренного и голеностопного рычагов, с элементами крепления к конечности, связанные 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 поворотный корпус, соединенный с тазобедренным рычагом с одним концом 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 двухэлементную разгибающуюся деталь с тазобедренным рычагом, является эксцентричным и подвижным [1].

Совпадающими с настоящим техническим решением признаками являются каркас в виде тазобедренного и голеностопного рычагов, с элементами крепления, связанных шарнирным узлом, состоящим из муфты свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения, механизма фиксации обоймы муфты свободного хода.

Устройство применяется в протезировании, но механизм фиксации кольцевого зажима не обеспечивает достаточную подкосоустойчивость при отклонении центра тяжести от оси шарнирного узла, что ограничивает область применения.

Известно также 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 взаимодействующей с ними собачкой и средством управления собачкой [2].

Совпадающими с настоящим устройством признаками являются 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 голеностопных рычагов с элементами крепления к ногам 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, т.е. не обеспечивает произвольную и надежную угловую фиксацию рычагов и бесшумности в работе.

Наиболее близким аналогом является шагопед, содержащий каркас с элементами крепления к туловищу, шарнирно связанные с каркасом четыре пары рычагов, каждая из которых состоит из соединенных между собой посредством шарнирного узла тазобедренного и голеностопного рычагов, шарнирно связанные со свободными концами голеностопных рычагов опорные платформы для обуви, шарнирный узел с механизмом фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, кинематически связанные между собой полусферические зубчатые колеса, валы и барабан с тросом, а механизм фиксации шарнирного узла, соединяющего рычаги, выполнен в виде пары колес с храповым зубчатым зацеплением, кинематически связанным с подвижной опорной платформой для обуви, при этом голеностопные рычаги выполнены с возможностью осевого перемещения [3].

Общими с настоящим техническим решением признаками являются 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 опорной платформой, механизм фиксации шарнирного узла, соединяющий рычаги, кинематически связанный с платформой.

Устройство конструктивно усложнено и требует постоянного использования мышечных сил рук для поддержания и перемещения массы тела. Кроме того, механизм фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением излишне усложнен и имеет недостаточное количество зон фиксации, т.е. не обеспечивает произвольную и надежную угловую фиксацию рычагов и бесшумности в работе.

В основу изобретения поставлена задача создать такое устройство, в котором новое конструктивное выполнение элементов механизма фиксации шарнирного узла, а также введение дополнительных элементов позволяет расширить функциональные возможности и область применения устройства, а именно исключить необходимость постоянного использования мышечных сил рук для поддержания и перемещения массы тела, обеспечить произвольную и надежную фиксацию рычагов, бесшумность в работе. Кроме того, устройство позволяет увеличивать нагрузку на мышцы ног при тренировках и регулировать угол наклона опорной платформы, что обеспечивает работоспособность шарнирного узла независимо от высоты препятствия.

Поставленная задача решается устройством, содержащим 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 опорой платформой, при этом тазобедренные рычаги состоят из двух частей - верхней и нижней, верхняя часть тазобедренного рычага шарнирно соединена одним концом с основанием седла и расположена вдоль тыльной стороны бедер, а нижняя часть тазобедренного рычага расположена на наружной стороне бедер, вторые концы верхней и нижней части тазобедренного рычага соединены между собой спиралевидным щитком, расположенным выпуклой частью вперед, шарнирный узел состоит из корпуса, шарнирно соединенного с голеностопным рычагом, муфты свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения, а механизм фиксации, расположенный вокруг обоймы муфты свободного хода, состоит из ленточного зажима с корпусом, двухэлементной разгибающейся детали, в состав которой входят корпус поворотный в направлении муфты, соединенный одним концом с тазобедренным рычагом, и другим концом - с корпусом кольцевого зажима, а также коленчатый рычаг, поворотный в направлении указанного корпуса зажима и шарнирно соединенный с другим концом зажима и пальцем, перемещаемым внутри корпуса кольцевого зажима, в котором расположен винт для принудительного перемещения пальца, коленчатый рычаг является регулированным (по углу) относительно корпуса, а его выступающий конец кинематически связан с опорной платформой тягой с шарнирами, содержащей винтовое соединение и поршень, при этом голеностопный шарнир выполнен в виде стремени, расположенном в полости опорной платформы, а муфта свободного хода содержит тормоз.

Отличительными признаками настоящего устройства является то, что тазобедренные рычаги состоят из двух частей - верхней и нижней, верхняя часть тазобедренного рычага шарнирно соединена одним концом с основанием и расположена вдоль тыльной стороны бедер, а нижняя часть тазобедренного рычага расположена на наружной стороне бедер, вторые концы верхней и нижней части тазобедренного рычага соединены между собой спиралевидным щитком, расположенным выпуклой частью вперед, шарнирный узел состоит из корпуса, шарнирно соединенного с голеностопным рычагом, муфты свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения, а механизм фиксации, расположенный вокруг обоймы муфты свободного хода, состоит из ленточного зажима с корпусом, двухэлементной разгибающейся детали, в состав которой входят корпус поворотный в направлении муфты, соединенный одним концом с тазобедренным рычагом, и другим концом - с корпусом кольцевого зажима, а также коленчатый рычаг, поворотный в направлении указанного корпуса зажима и шарнирно соединенный с другим концом зажима и пальцем, перемещаемым внутри корпуса кольцевого зажима, в котором расположен винт для принудительного перемещения пальца, коленчатый рычаг является регулированным (по углу) относительно корпуса, а его выступающий конец кинематически связан с опорной тягой с шарнирами, содержащей винтовое соединение и поршень, при этом голеностопный шарнир выполнен в виде стремени, расположенном в полости опорной платформы, а муфта свободного хода содержит тормоз.

Совокупность вышеперечисленных признаков настоящего устройства позволяет получить технический результат, заключающийся в том, что исключается необходимость постоянного использования мышечных сил рук для поддержания и перемещения массы тела, обеспечивается произвольная и надежная фиксация рычагов, бесшумность в работе. Кроме того, устройство позволяет увеличивать нагрузку на мышцы ног при тренировках и регулировать угол наклона опорной платформы, что обеспечивает работоспособность шарнирного узла независимо от высоты препятствия.

На фиг. 1 изображен экзоскелетон, вид спереди; на фиг.2 - то же, кинематическая схема; на фиг.3 - опорная платформа, продольный разрез.

Устройство (фиг. 1, 3) содержит каркас в виде седла 1 с элементами крепления к туловищу, тазобедренные рычаги, состоящие из верхней 2 и нижней 3 части, спиралевидные щитки 4, шарнирные узлы 5, голеностопные рычаги 6, опорные платформы 7 с шарнирами 8, шарнирный узел (фиг.2), состоящий из муфты свободного хода с обоймой 9, ступицей 10, роликами 11, механизм фиксации, состоящий из ленточного зажима 12, один конец которого прикрепляется к корпусу шарнирного узла 13, винта 14 с клиновидным окончанием 15, двухэлементной разгибающейся детали, содержащей подвижный корпус 16 с винтами 17, коленчатый рычаг 18 с шарнирами 19, 20, пальцем 21, тягу 22 с шарнирами 23, 24, винтовое соединение 25, поршень 26, дополнительно шарнир 8 выполнен в виде стремени 27, расположенном в полости 28 опорной платформе 8, а муфта свободного хода содержит тормоз 29.

Туловище пользователя крепится к экзоскелетону в тазобедренной области на седле 1 элементами крепления (ремнями), а нижние конечности вставляются в экзоскелетон таким образом, что с тыльной стороны бедер (в паховой области) контактируют с верхней частью 2 тазобедренных рычагов, упираются передней частью в вогнутую сторону спиралевидных щитков 4, в которых также удерживаются от выпадения ремнями, а с наружной стороны контактируют с нижней частью 3 тазобедренных рычагов шарнирными узлами 5, голеностопными рычагами 6 и упираются стопами в опорные платформы 7. От выпадения в голеностопной области нижние конечности удерживает обувь, куда вставляются опорные платформы 7. При вертикальном расположении туловища и расслаблении мышц ног масса тела пользователя воздействует через седло 1 и его основание на нижние конца 3 тазобедренных рычагов, подвижный корпус 16 - на шарнир 20. В связи с тем, что шарнир 20 обладает большей подвижностью, чем подвижность ступицы 10 относительно обоймы 9, то происходит дальнейшее перемещение подвижного корпуса 16 в шарнире 20 и винты 17 воздействуют на коленчатый рычаг 18, который через шарнир 19 перемещает ленточный зажим 12 относительно корпуса шарнирного узла 13. В результате достигается неподвижность обоймы 9 относительно корпуса шарнирного узла 13. В результате в связи со свойством односторонней подвижности муфт свободного хода ролики 11 заклиниваются относительно обоймы 9 и ступицы 10, чем обеспечивается блокирование углового перемещения тазобедренного и голеностопного рычагов в сторону их складывания, а значит, и достигается эффект жесткости опорных элементов каркаса экзоскелетона. При этом существенно, что длина тяги 22 подбирается таким образом, чтобы при вертикальном положении (расположении вдоль общей оси) тазобедренного и голеностопного рычагов и требуемой степени блокирования односторонней подвижности шарнирного узла 5 она равнялась общей длине тазобедренного голеностопного рычагов и шарнирного узла.

Таким образом, при вертикальном положении тела пользователя без осуществления шагового перемещения полностью разгружается его 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 и голеностопными рычагами и опорными платформами.

Работа устройства в динамике отличается тем, что свобода перемещения нижних конечностей пользователя достигается перенесением центра тяжести на опорную ногу и разгружения шарнирного узла 5 неопорной ноги. В котором под действием разгибающего усилия зажима 12, представляющего собой ленточную пружину, коленчатый рычаг 18 поворачивается в шарнирах 19, 20, заставляя тем самым тягу 22 через шарнир 24 поднимать носок опорной платформы 7, что соответствует естественному движению стопы при шаговом перемещении. Одновременно разблокируется обойма 9 муфты свободного хода и шарнирный узел приобретает свойство полной свободы углового перемещения, т.е. не препятствует складыванию и распрямлению тазобедренного и голеностопного рычагов. В результате в связи с имеющейся свободой углового перемещения тазобедренных шарниров на седле 1, голеностопных шарниров 8 и шарнирного узла 5 неопорной конечности появляется возможность естественного шагового движения нижних конечностей с опорой на каркас из седла, тазобедренного, голеностопного рычагов и опорной платформы опорной конечности.

В дальнейшем работа устройства не отличается от приведенной. Для создания подтормаживающего эффекта в шарнирных узлах 5 при приседании пользователя, с помощью закручивания винтов 17 добиваются ограничения подвижности коленчатого рычага 18 относительно внутренней полости корпуса 16 до такой степени, чтобы при полностью нагруженном шарнирном узле 5 существовала возможность проскальзывания зажима 12 относительно обоймы 9. Тем самым достигается эффект подтормаживания обратного движения (при складывании тазобедренного и голеностопного рычагов) муфты свободного хода шарнирного узла 5.

Повышение подкосоустойчивости шарнирного узла опорной конечности обеспечивается тем, что при любой величине углового перемещения тазобедренного рычага относительно голеностопного, независимо от углового положения опорной платформы 7 в шарнире 8 обеспечивается блокирование подвижности обоймы 9 муфты свободного хода относительно зажима 12. Так, при отклонении голеностопного рычага 6 в шарнире 8 относительно опорной платформы 7 на угол меньше или больше 90^o происходит смещение шарнира 24 относительно продольной оси голеностопного рычага 6, что приводит к перемещению тяги 22, коленчатого рычага 18 и принудительного блокирования обоймы 9 зажимом 12.

В любом случае, за исключением случая продольного осевого расположения тазобедренного и голеностопного рычагов с ограничением их дальнейшего расправления ограничительными упорами в корпусе шарнирного узла 5, последние не препятствуют взаимному распрямлению рычагов, что и обеспечивает возможность свободного распрямления конечностей в коленном суставе.

Для достижения эффекта подкосоустойчивости шарнир 8 выполнен в виде стремени 27 с возможностью ограниченного углового перемещения в полости 28 опорной платформы 8. Тогда при опоре на тазобедренный и голеностопный рычаги, расположенные в шарнирном узле под углом друг к другу (например, при подъеме по лестнице), образуется жесткая конструкция из опорной платформы 8 и стремени 27. Последнее позволяет достичь эффекта устойчивости функционирования шарнирного узла 5 во всех режимах шагового перемещения.

Таким образом обеспечивается расширение функциональных возможности и область применения устройства, а именно исключается необходимость постоянного использования мышечных сил рук для поддержания и перемещения массы тела, обеспечивается произвольная и надежная фиксация рычагов, бесшумность в работе. Кроме того, устройство позволяет увеличивать нагрузку на мышцы ног при тренировках и регулировать угол наклона опорной платформы, что обеспечивает работоспособность шарнирного узла независимо от высоты препятствия.

Использование: изобретение относится к медицинской технике, а именно к травматологии и ортопедии. Существо изобретения: 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 опорной платформой, при этом тазобедренные рычаги состоят из двух частей - верхней и нижней, верхняя часть тазобедренного рычага шарнирно соединена одним концом с основанием седла и расположена вдоль тыльной стороны бедер, а нижняя часть тазобедренного рычага расположена на наружной стороне бедер, вторые концы верхней и нижней части тазобедренного рычага соединены между собой спиралевидным щитком, расположенным выпуклой частью вперед, шарнирный узел состоит из корпуса, шарнирно соединенного с голеностопным рычагом, муфты свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения, а механизм фиксации, расположенный вокруг обоймы муфты свободного хода, состоит из ленточного зажима с корпусом, двухэлементной разгибающейся детали, в состав которой входят корпус , поворотный в направлении муфты, соединенный одним, концом с тазобедренным рычагом и другим концом - с корпусом кольцевого зажима, а также коленчатый рычаг, поворотный в направлении указанного корпуса зажима и шарнирно соединенный с другим концом зажима и пальцем, перемещаемым внутри корпуса кольцевого зажима, в котором расположен винт для принудительного перемещения пальца, коленчатый рычаг является регулированным (по углу) относительно корпуса, а его выступающий конец кинематически связан с опорной платформой тягой с шарнирами, содержащей винтовое соединение и поршень, при этом голеностопный шарнир выполнен в виде стремени, расположенном в полости опорной платформы, а муфта свободного хода содержит тормоз. Устройство позволяет получить технический результат, заключающийся в том, что исключается необходимость постоянного использования мышечных сил рук для поддержания и перемещения массы тела, обеспечиваются произвольная и надежная фиксация рычагов, бесшумность в работе. Кроме того, устройство позволяет увеличивать нагрузку на мышцы ног при тренировках и регулировать угол наклона опорной платформы, что обеспечивает работоспособность шарнирного узла независимо от высоты препятствия. 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 опорной платформой, отличающийся тем, что тазобедренные рычаги состоят из двух частей, верхней и нижней, верхняя часть тазобедренного рычага шарнирно соединена одним концом с основанием седла и расположена вдоль тыльной стороны бедер, а нижняя часть тазобедренного рычага расположена на наружной стороне бедер, вторые концы верхней и нижней части тазобедренного рычага соединены между собой спиралевидным щитком, расположенным выпуклой частью вперед, шарнирный узел состоит из корпуса, шарнирно соединенного с голеностопным рычагом, муфты свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения, а механизм фиксации, расположенный вокруг обоймы муфты свободного хода, состоит из ленточного зажима с корпусом, двухэлементной разгибающейся детали, в состав которой входят корпус поворотный в направлении муфты, соединенный одним концом с тазобедренным рычагом и другим концом - с корпусом кольцевого зажима, а также коленчатый рычаг поворотный в направлении указанного корпуса зажима и шарнирно соединенный с другим концом зажима и пальцем, перемещаемым внутри корпуса кольцевого зажима, в котором расположен винт для принудительного перемещения пальца, коленчатый рычаг является регулированным по углу относительно корпуса, а его выступающий конец кинематически связан с опорной платформой тягой с шарнирами, содержащей винтовое соединение и поршень, при этом голеностопный шарнир выполнен в виде стремени, расположенном в полости опорной платформы, а муфта свободного хода содержит тормоз.