УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХОДЬБЫ Российский патент 1998 года по МПК A61H3/00 

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

Известно устройство для ходьбы [1] , содержащее каркас с элементами крепления к туловищу, шарнирно связанные с каркасом с помощью оси тазобедренные и голеностопные рычаги, снабженные элементами крепления к ноге. На свободных концах голеностопных рычагов установлены опорные платформы для обуви. Оно также снабжено шестерней и рукояткой, установленными на общей оси, причем шестерня укреплена на каркасе, рукоятка установлена с возможностью перемещения относительно шестерни, а рычаги выполнены в виде двух шарнирно связанных звеньев, снабжены ограничителем и имеет зубчатый спектр, взаимодействующий с шестерней.

Совпадающими с предлагаемым устройством признаками являются каркас с элементами крепления к туловищу, шарнирно связанная с каркасом одна пара тазобедренного и голеностопного рычагов, снабженных элементами крепления к ноге, и опорная платформа для обуви, установленная на свободном конце голеностопного рычага. Рычаги также выполнены в виде двух шарнирно связанных звеньев.

Данное устройство не обеспечивает передвижения и поддержания массы тела инвалида с парализованными нижними конечностями в виду отсутствия храпового механизма и средств управления им.

Известно также устройство для шагового перемещения [2], 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 храповым зубчатым зацеплением в виде сегмента с наклонными зубьями и взаимодействующей с ними собачкой и средством управления собачкой.

Совпадающими с предлагаемым устройством признаками являются каркас с элементами крепления к туловищу, шарнирно связанная с каркасом одна пара соединенных между собой посредством шарнирного узла тазобедренного и голеностопного рычагов с элементами крепления к ногам и шарнирно связанная со свободными концами голеностопного рычага опорная платформа для обуви, шарнирный узел, соединяющий рычаги, с храповым зубчатым зацеплением в виде сегмента с наклонными зубьями, взаимодействующая с ним собачка и средство управления собачкой.

Устройство обеспечивает поддержание массы тела, но не обеспечивает передвижения инвалида с парализованными нижними конечностями ввиду отсутствия кинематической схемы передачи усилий мышц рук на рычаги.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является шагопед [3], 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, шарнирно связанные со свободными концами голеностопных рычагов опорные платформы для обуви, механизм 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 платформой для обуви, при этом голеностопные рычаги выполнены с возможностью осевого перемещения и шарнирно соединены с опорными платформами для обуви.

Общими с предлагаемым техническим решением признаками являются каркас с элементами крепления к туловищу, шарнирно связанная одним концом с каркасом одна пара рычагов, состоящая из тазобедренного и голеностопного рычагов, соединенных между собой посредством шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, а другим - с опорной платформой для обуви, механизм фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, соединяющего рычаги, кинематически связанный с подвижной платформой, при этом голеностопный рычаг выполнен с возможностью осевого перемещения и шарнирно соединен с опорной платформой для обуви.

Устройство конструктивно громоздко ввиду наличия сложного механизма передачи усилий мышц рук на опорные рычаги 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, оно функционально ограничено из-за отсутствия средств разблокирования храпового механизма шарнирного узла, соединяющего рычаги, что требует дополнительной внешней опоры при переходе в сидячее положение.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в создании устройства для ходьбы упрощенной конструкции и повышенной надежности за счет изменения кинематической связи между элементами конструкции и их форм, а также за счет включения в ее состав средств разблокировки храпового механизма шарнирного узла, соединяющего рычаги.

Поставленная задача решается устройством для ходьбы, содержащим каркас с элементами крепления к туловищу, шарнирно связанную одним концом с каркасом и расположенную между ногами пользователя одну пару рычагов, состоящую из тазобедренного и голеностопного рычагов, соединенных между собой посредством шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, а другим - с опорной платформой для обуви, механизм фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, соединяющего рычаги, кинематически связанный с подвижной платформой, при этом голеностопный рычаг выполнен с возможностью осевого перемещения, механизм фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, соединяющего рычаги, содержит собачку с цилиндрической ножкой со штифтом и пружиной, собачка выполнена с возможностью осевого перемещения относительно корпуса шарнирного узла, соединяющего рычаги, и голеностопного рычага, а на ее боковой поверхности выполнено углубление, взаимодействующее с зубом, расположенным на коротком конце рычага с осью в корпусе шарнирного узла, соединяющего рычаги, и шарнирно соединенного с толкателем колодок тормоза, взаимодействующих с поверхностью тормозного барабана зубчатого колеса, а на длинном конце рычага выполнена рукоятка со средством фиксации положения рычага, при этом опорная платформа для обуви выполнена общей и шарнирно соединена с голеностопным рычагом.

Отличительными признаками этого устройства является то, что механизм фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, соединяющего рычаги, содержит собачку с цилиндрической ножкой со штифтом и пружиной. Собачка выполнена с возможностью осевого перемещения относительно корпуса шарнирного узла, соединяющего рычаги, а на ее боковой поверхности выполнено углубление, взаимодействующее с зубом, расположенным на коротком конце рычага с осью в корпусе шарнирного узла, соединяющего рычаги, и шарнирно соединенного с толкателем колодок тормоза, взаимодействующего с поверхностью тормозного барабана зубчатого колеса, а на длинном конце рычага расположена рукоятка со средством фиксации положения рычага, при этом опорная платформа для обуви выполнена общей и шарнирно соединена с голеностопным рычагом.

Совокупность вышеперечисленных признаков предлагаемого устройства для ходьбы позволяет получить технический результат, заключающийся в том, что устраняется заклинивание механизма фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, соединяющего рычаги, повышается надежность его функционирования за счет снятия динамических нагрузок с зубьев собачки. Это позволяет пользователю при переходе в сидячее положение обеспечить функционирование устройства при наличии одной пары опорных рычагов и общей платформы для обуви. В результате, при стоячем положении устройство позволяет использовать руки пользователя для выполнения функций, не связанных с его поддержанием и перемещением, за счет создания жесткой опорной конструкции с опорой на костыли и опорную платформу для обуви.

На фиг. 1 изображено устройство, закрепленного на теле пользователя, вид спереди; на фиг. 2 - вид сбоку; на фиг. 3 - вид сзади; на фиг. 4 - кинематическая модель механизма фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, соединяющего рычаги; на фиг. 5 - механизм фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, соединяющего рычаги; на фиг. 6 - опорная платформа для обуви, вид сверху; на фиг. 7 - опорное седло с элементами крепления к тазобедренному рычагу.

Устройство (фиг. 1) содержит голеностопный рычаг 1, тазобедренный рычаг 2, расположенный между ногами пользователя, каркас с элементами крепления к туловищу и элементы крепления к ногам, состоящие из опорного седла 3 с тазобедренным шарниром (сферическим подшипником) 4 (фиг. 7), тазобедренных щитков 5, голеностопных щитков 6, крепежных ремней 7, треугольной рамки 8, подтяжек 9, поясного ремня 10, опорной планки (поддерживающего ремня) позвоночника 11 (фиг. 2), костыликов 12 с шарнирами 13, костыля 14 с кистевой рукояткой 15. Устройство содержит также опорную платформу для обуви 16, подвижную платформу 17, Г-образную тягу 18, шарнирное соединение 19 голеностопного рычага с опорной платформой (фиг. 6), регулировочные отверстия свободного хода управляющей платформы 20 (фиг. 5), механизм фиксации коленного шарнира с храповым зубчатым зацеплением (фиг. 5), содержащий зубчатый сегмент с наклонными зубьями 21, ось 22, собачку 23 с цилиндрической ножкой и штифтом 24, цилиндрическую пружину сжатия 25, пластину (ползун) 26, возвратную прямоугольную пружину сжатия 27, рукоятку 28 (фиг. 4), кнопку 29, дугообразную рейку 30 с впадинами, пружину 31, тормозную колодку 32, тормозной барабан 33, рычаг стопорного механизма 34, металлическое основание седла 35 (фиг. 7), амортизирующую прокладку 36.

Работа устройства следующая. Тело пользователя подвешивается в тазобедренной области на седле 3 и (или) в подмышечной области на опорных элементах (костыликах) 12. Для удобства применения металлическое основание седла 35 имеет амортизирующее покрытие 36. При этом костылики 12 через планку 11 упираются в седло 3 и через него в тазобедренный шарнир 4, на котором крепятся рычаги 1, 2. Седло от выпадания в паховой области удерживается подтяжками 9, через лямку 8 шарнирно закрепленную в передней части основания седла 35. Нижние конечности крепятся к рычагам 1, 2 щитками 5, 6 и удерживаются от выпадания ремнями 7. В области коленного сустава рычаги 1, 2 образуют шарнирное соединение на оси рычага 22. Программируемая подвижность шарнирного соединения на уровне коленных суставов обеспечивается механизмом фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением. Под действием массы тела подошва обуви воздействует на подвижную платформу 17, шарнирно соединенную с опорной платформой 16 на уровне носка обуви. В свою очередь, опорная платформа 16 упирается в дорожное покрытие и через шарнир 19 связана с рычагом 1. В результате происходит взаимное сближение платформ 16, 17 и соответственно платформа 17 через тягу 18, Г-образный конец которой пропущен в отверстие 20 крышки корпуса механизма фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, приводит к взаимному сближению рычагов 1, 2. При этом собачка 23 удерживается в выдвинутом положении пружиной 25, расположенной в углублении вилки ползуна 26, прикрепляемого к верхнему концу рычага 1, что позволяет ей перемещаться в тоннеле корпуса механизма фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением. Ее перемещение происходит до тех пор, пока ползун 26 не упрется выступами вилки в стенку внутренней полости корпуса механизма фиксации шарнирного узла. Соответственно, собачка 23 взаимодействует с зубчатым сегментом 21, при этом возникает храповое зацепление. Вертикальное положение пользователь приобретает с использованием мускульной силы рук, опираясь на костыли 14 через костылики 12 и рукоятки 15. При этом костыли 14 могут быть автономными, т. е. типовыми. В этом случае седло 3 крепится к туловищу на подтяжках 9, которые дополнительно фиксируются ремнем 10. В случае использования планки 11 последняя имеет Т-образную форму с шарнирами 13 и через короткие концы крепится к костыликам 12. Использование планки 11 позволяет пользователю при достижении вертикального положения использовать внешнюю опору, т. к. костыли 14 остаются неотъемлемой частью конструкции устройства. При любом из рассматриваемых вариантов произвольного подгибания нижних конечностей не происходит, т.к. механизм фиксации шарнирного узла позволяет расправлять конечности, в т.ч. и под нагрузкой, но блокирует их сгибание. Надежность храпового зацепления в механизме фиксации шарнирного узла достигается свободным ходом собачки 23 относительно ползуна 26, а храповый эффект обеспечивается пружиной 25. Кроме того, храповой сегмент 21 взаимодействует с осью 22 через подшипник. Предполагается, что нижние конечности пользователя под действием гравитационной составляющей расправляются в коленном суставе, в случае принятия им вертикального положения, при этом наличие незначительной мышечной контраптуры не является ограничением применения устройства, т.к. высота костылей 14 регулируется под максимально возможное расправление нижних конечностей пользователя. Для предотвращения заклинивания собачки в сегменте на него дополнительно воздействует пружина 27, которая отодвигает рычаг 1 совместно с ползуном 26, а через штифт 24 и собачку 23 от зубьев сегмента.

Таким образом, в статическом положении масса пользователя поддерживается в тазобедренной и подмышечной зонах на жестком каркасе, образованном рычагами 1, 2 и костылями 14. При этом с помощью соответствующих групп мышц верхней половины туловища опираемую массу можно перераспределять по опорной точке каркаса, обеспечивая устойчивое состояние пользователя, как в стоячем положении, так и при перемещении.

Работа устройства в динамике отличается тем, что перемещение нижних конечностей пользователя обеспечивается перенесением центра тяжести на костыли 14 и освобождение за счет этого зубчатого зацепления механизма фиксации коленного шарнира. При этом собачка 23 под действием массы рычагов 1, 2, щитков 6, платформы 16 и усилия пружины 27 отдаляется от зубчатого сегмента с наклонными зубьями 21, перемещаясь в тоннеле корпуса механизма фиксации коленного шарнира. От выпадения из тоннеля ползуна 26 собачку 23 удерживает штифт 24, а выпадение самого ползуна из внутренней полости корпуса механизма фиксации коленного шарнира предотвращается наличием упорной стенки в этой полости со стороны нижних плечей вилки ползуна. В результате удаления собачки 23 от зубчатого сегмента 21 разблокируется подвижность шарнирного соединения, расположенного на уровне коленных суставов, т.е. могут взаимно перемещаться рычаги 1, 2, расположенные на оси 22. Соответственно конечности приобретают в коленных шарнирах требуемую подвижность и произвольно сгибаются под действием маятникового движения верхней половины туловища относительно костыликов 12, т.е. ноги с помощью мышц туловища могут быть выброшены вперед для осуществления его линейного перемещения. При этом опорные платформы 16 упираются в дорожное покрытие, а при дальнейшем перенесении центра тяжести на выброшенные вперед ноги, которые под действием гравитационных сил расправляются в коленных шарнирах, происходит воздействие массы тела, рычага 2 на подвижную платформу 17. Проворачиваясь в шарнирных соединениях, расположенных в зоне носков обуви, подвижная платформа 17 через тягу 18, крышку корпуса механизма фиксации коленного шарнира приводит храповое зацепление собачки 23 и сегмента 21 в состояние зацепления, обеспечивая тем самым жесткость опорного каркаса. В дальнейшем работа устройства не отличается от приведенной. При возникновении необходимости перевести пользователя в сидячее положение он с помощью мускульной силы рук подтягивается за внешнюю опору, например перекладину, разгружает шарнирное соединение коленного шарнира до момента приобретения им полной подвижности, а затем садится. При этом предварительно ноги пользователя должны быть выброшены вперед как можно дальше, т. е. должны находиться под максимальным углом к туловищу. В результате становится возможным посадка пользователя с выпрямленными ногами. Для того чтобы осуществить посадку, приближенную к естественной, используются средства разблокировки путем выведения собачки 23 из зацепления с сегментом 21. Для этого с помощью пальцев одной из кистей рук кнопка 29 подтягивается к рукоятке 28, в результате выходит из зацепления фиксатор на рейке 30 и рычаг 34 обретает подвижность. Под действием пружины 31 и мышечной силы руки рычаг 34 поворачивается на шарнире. При этом короткое плечо рычага 34 со стопорным зубом входит в зацепление с углублением, расположенным на боковой поверхности собачки 23, и одновременно толкатель, расположенный на длинном плече рычага 34, воздействует на колодку 32, которая вступает во взаимодействие с барабаном 33, представляющим собой цилиндрический выступ на боковой поверхности сегмента 21. Дальнейшее перемещение рычага 34 приводит к освобождению собачки 23 от зацепления с зубьями сегмента 21, т.к. собачка 23 имеет свободный ход относительно ползуна 26.

Использование: в медицинской технике, а именно в травматологии и ортопедии. Сущность: устройство для ходьбы содержит каркас с элементами крепления к туловищу, шарнирно связанную одни концом с каркасом и расположенную между ногами пользователя одну пару рычагов, состоящую из тазобедренного и голеностопного рычагов, соединенных между собой посредством шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, а другим - с опорной платформой для обуви, механизм фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, соединяющего рычаги, кинематически связанный с подвижной платформой. Механизм фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, соединяющего рычаги, содержит собачку с элементами управления, устраняющими заклинивание. Опорная платформа для обуви выполнена общей и шарнирно соединена с голеностопным рычагом. 7 ил.

Устройство для ходьбы, содержащее каркас с элементами крепления к туловищу, шарнирно связанную одним концом с каркасом и расположенную между ногами пользователя одну пару рычагов, состоящую из тазобедренного и голеностопного рычагов, соединенных между собой посредством шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, а другим - с опорной платформой для обуви, механизм фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, соединяющего рычаги, кинематически связанный с подвижной платформой, при этом голеностопный рычаг выполнен с возможностью осевого перемещения, отличающееся тем, что механизм фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, соединяющего рычаги, содержит собачку с цилиндрической ножкой со штифтом и пружиной, собачка выполнена с возможностью осевого перемещения относительно корпуса шарнирного узла, соединяющего рычаги, и голеностопного рычага, а на ее боковой поверхности выполнено углубление, взаимодействующее с зубом, расположенным на коротком конце рычага с осью в корпусе шарнирного узла, соединяющего рычаги, и шарнирно соединенного с толкателем колодок тормоза, взаимодействующих с поверхностью тормозного барабана зубчатого колеса, а на длинном конце рычага расположена рукоятка со средством фиксации положений рычага, при этом опорная платформа для обуви выполнена общей и шарнирно соединена с голеностопным рычагом.