ЭКЗОСКЕЛЕТОН 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 и платформой, установленной на свободном конце рычагов. 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 имеют зубчатый сектор, взаимодействующий с шестерней.

Совпадающими с предлагаемым устройством признаками являются каркас с элементами крепления к туловищу, шарнирно связанные с каркасом с помощью оси две пары тазобедренных и голеностопных рычагов, снабженных элементами крепления к ноге и платформа, установленная на свободном конце голеностопного рычага. Рычаги выполнены в виде двух шарнирно связанных звеньев.

Данное устройство не обеспечивает поддержание массы тела пользователя ввиду того, что используемые в нем шарнирные соединения обладают свойством полной подвижности, что не позволяет динамически создавать жесткую опорную конструкцию без использования мышечных усилий рук.

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 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.

Совпадающими с предлагаемым 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 платформы. Шарнирные узлы, соединяющие рычаги, снабжены механизмом фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением 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 шагопед (авт. св. СССР N 1814911, кл. A 63 B 25/00), 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 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 платформой для обуви, при этом голеностопные рычаги выполнены с возможностью осевого перемещения.

Общими с предлагаемым 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 платформой, механизм фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, соединяющий рычаги, кинематически связанный с платформой, при этом голеностопные рычаги выполнены с возможностью осевого перемещения.

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 с храповым зубчатым зацеплением, соединяющий рычаги, имеет недостаточные надежность и количество зон фиксации, а устройство ограничивает удобство шагового перемещения.

В основу изобретения поставлена задача создать такое устройство, в котором изменение конструкции механизма фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением и введение дополнительного опорного рычага со средствами фиксации, возможности продольного перемещения тазобедренного рычага относительно корпуса шаровой опоры седла, плавного регулирования размеров рычагов и заданием величины углового перемещения голеностопного рычага относительно платформы, позволило получить устройство экзоскелетон с повышенной надежностью, плавностью изменения размеров рычагов, регулируемостью усилия фиксации механизма шарнирного узла и удобством шагового перемещения.

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 платформой, являющейся основанием стремени, механизм фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, соединяющий рычаги, кинематически связан с опорной платформой, при этом механизм фиксации шарнирного узла состоит из параллельно расположенных сегментов зубчатых колес, размещенных на общей оси, с взаимным смещением наклонных зубьев, корпуса шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением с продольно расположенным пазом для перемещения съемной оси, двух пружин регулируемой упругости и шагового срабатывания, расположенных по обе стороны корпуса шарнирного узла и взаимодействующих с осью, собачек, взаимодействующих с сегментами зубчатых колес и посаженных на винты со штырями и пружинами, крышки корпуса, защитных крышек, тазобедренный и голеностопный рычаги, выполненные раздвижными в виде цилиндрических шпилек, соединенных левосторонней и правосторонней резьбой с цилиндрическими трубками, голеностопные рычаги имеют фиксированный угол наклона относительно платформы, корпус тазобедренного рычага взаимодействует с корпусом крепления шаровой опоры и выполнен с возможностью продольного перемещения вдоль него, элементы каркаса дополнены опорным рычагом со средствами фиксации в шарнирном соединении с основанием седла.

Отличительными признаками предлагаемого устройства является то, что механизм фиксации шарнирного узла состоит из параллельно расположенных сегментов зубчатых колес, размещенных на общей оси, с взаимным смещением наклонных зубьев, корпуса шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением с продольно расположенным пазом для перемещения съемной оси, двух пружин регулируемой упругости и ступенчатого срабатывания, расположенных по обе стороны корпуса шарнирного узла и взаимодействующих с осью, собачек, взаимодействующих с сегментами зубчатых колес и посаженных на винты со штырями и пружинами, крышки корпуса, защитных крышек, тазобедренных и голеностопных рычагов, выполненных раздвижными в виде цилиндрических шпилек, соединенных левосторонней и правосторонней резьбой с цилиндрическими трубками, голеностопные рычаги имеют фиксированный угол наклона относительно платформы, корпус тазобедренного рычага взаимодействует с корпусом крепления шаровой опоры и выполнен с возможностью продольного перемещения вдоль него, элементы каркаса дополнены опорным рычагом со средствами фиксации в шарнирном соединении с основанием седла.

Совокупность вышеперечисленных признаков предлагаемого устройства позволяет получить технический результат, заключающийся в том, что расширяется количество зон фиксации храпового механизма и повышается плавность регулирования размеров тазобедренного и голеностопного рычагов, упрощается обеспечение подкосоустойчивости шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, улучшается динамика перемещения тазобедренных рычагов относительно каркаса.

На фиг. 1 изображен экзоскелетон, закрепленный на теле пользователя с откинутым вверх опорным рычагом, вид сзади; на фиг. 2 - кинематическая схема голеностопного шарнира; на фиг. 3 - шарнирный узел, вид сбоку; на фиг. 4 - шарнирный узел в сборе; на фиг. 5 - шарнирный узел, вид спереди; на фиг. 6 - разрез стенки корпуса шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением с элементами шагового срабатывания; на фиг. 7 - сегмент зубчатого колеса с смещенными наклонными зубьями; на фиг. 8 - кинематическая схема устройства.

Устройство (фиг. 1, 2, 8) содержит каркас в виде седла 1 с элементами крепления к туловищу, корпус шаровой опоры 2, тазобедренные рычаги 3, щитки 4, шарнирные узлы 5 с механизмом фиксации, голеностопный рычаг 6, корпус 7 голеностопного шарнира 8, стремя 9, основание которого является платформой, располагаемое внутри обуви 10, механизм фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением (фиг. 3, 4, 5, 6, 7), состоящий из корпуса шарнирного узла 11, крепежных отверстий 12 крышки корпуса, элементов шагового срабатывания в виде шариков 13, винта 14 с конусным окончанием и гайкой, средств крепления и регулирования зазоров собачек в виде винтов 15 с гайками, винта 15 со штырем, цилиндрических пружин 17, нижнего корпуса 18 тазобедренного рычага, сегмента зубчатого колеса 19 с наклонными зубьями 20, оси 21 с отверстиями 22, пружин 23, крышки 24 корпуса шарнирного узла, осевых пазов 25 шарнирного узла, защитных крышек 26, собачек 27 с боковыми выступами 28, винтов 29, шариков 30, тазобедренные и голеностопные рычаги, выполненные раздвижными за счет наличия цилиндрических шпилек 31 и трубок 32 с гайками, верхний конец тазобедренных рычагов (фиг. 8), перемещающийся в пазе корпуса 33 шаровой опоры 34 седла, нижние концы голеностопного рычага с упорами 35, дополнительно в основании седла на шарнире размещается опорный рычаг 36 со средствами фиксации в шарнирном соединении.

Работа устройства следующая. Туловище и конечности пользователя крепятся к экзоскелетону в тазобедренной области на седле 1 и щитках 4, а в стельки обуви упираются голеностопные рычаги 6 со стременем 9. При вертикальном расположении туловища и расслаблении мышц ног масса тела пользователя воздействует через седло 1 на корпуса 33 шаровых опор 34, которые наползают на верхний конец тазобедренных рычагов 3. При этом верхний конец тазобедренных рычагов 3 перемещается в верхнюю часть паза корпуса 33 шаровой опоры 34. В дальнейшем происходит складывание, в шарнирном узле 5 с механизмом фиксации, тазобедренных и голеностопных рычагов 3, 6 и в голеностопном шарнире 8 - голеностопных рычагов 6 и платформ стремени 9. Взаимное перемещение рычагов 3, 6 и стремени 9 происходит до тех пор, пока упоры 35 голеностопных рычагов 6 не ограничат перемещение в голеностопном шарнире 8. В результате, создается жесткая опорная конструкция из стремени 9 и голеностопного рычага 6. В связи с тем, что тазобедренный рычаг 3 жестко фиксируется щитками 4 относительно тазобедренных частей ног, происходит перемещение вниз вдоль осевых пазов 25 оси 21 с сегментами зубчатых колес 19 тазобедренных рычагов 3. Такое перемещение возможно потому, что голеностопные части ног могут свободно перемещаться относительно конструкции из стремени 9 и голеностопного рычага 6. При дальнейшем перемещении сегментов зубчатых колес 19 их наклонные зубья 20 входят в зацепление с зубьями собачек 27, которые под усилием пружин 17 находятся в выдвинутом положении относительно корпуса 11 шарнирного узла 5. От выпадания из углубления корпуса 11 их удерживают боковые выступы 28. В результате возникающего храпового эффекта в шарнирных узлах 5 с механизмом фиксации блокируется возможность дальнейшего сладывания тазобедренных 3, голеностопных 6 рычагов. Вся опорная конструкция экзоскелетона обретает жесткость достаточную для удержания массы тела пользователя. Для предотвращения возможности частичного зубчатого зацепления собачек 27 и сегментами зубчатых колес 19 один из концов пружин 23 продевается в отверстие 22 оси 21 и имеет свободу перемещения вдоль крышки 24 и корпуса 11 шарнирного узла 5. При перемещении оси 21 с пружинами 23 вдоль крышки и корпуса шарнирного узла свободный конец этой пружины упирается в шарик 13 и на некоторое время задерживает движение оси. При дальнейшем увеличении давления со стороны оси 21 на пружину 23 происходит скачкообразное перемещение сегментов зубчатых колес 19 в сторону зацепления с зубьями собачек 27. При этом вероятность частичного зубчатого зацепления уменьшается. Закручивание винта 14 вызывает выдвижение шариков 13, чем регулируется величина порогового усилия, требуемого для зубчатого храпового зацепления. Наличие даже двух параллельно расположенных сегментов зубчатых колес 19 позволяет, за счет взаимного смещения зубьев, увеличить в два раза зону возможной фиксации в шарнирном узле 5. При этом собачки 27 поочередно входят в зацепление с зубьями 20 зубчатых колес 19. Не менее важным является выбор величины угла складывания в голеностопном шарнире. Для обеспечения достаточной подкосоустойчивости шарнирного узла 5 с механизмом фиксации он не должен превышать величину смещения центра тяжести при опоре на конструкцию за носок обуви. Для обеспечения возможности приседания пользователя центр тяжести пользователя смещается за носок обуви, либо пользователь с помощью мышц стопы расправляет голеностопный шарнир и с помощью мышц ног частично разгружаются шарнирные узлы 5 с механизмами фиксации. При этом под действием усилия сжатия пружин 23 на ось 21 происходит вывод наклонных зубьев 20 сегментов зубчатых колес 19 из зацепления с зубьями собачек 27. Тем самым шарнирный узел 5 с механизмом фиксации разблокируется и становится возможным взаимное складывание тазобедренных 3 и голеностопных 6 рычагов, т.е. осуществляется приседание. 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 1 с элементами крепления, тазобедренными 3 и голеностопными 6 рычагами и стременами 9.

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 стремени 9 на опорной конечности. Соответственно, под действием усилия пружин 23 неопорная конструкция из голеностопного 6, тазобедренного 3 рычагов и стремени 9 разблокируется в шарнирном узле 5 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 5 с механизмом фиксации, расположенного на опорных элементах конструкции экзоскелетона. Как в том, так и в другом случаях работа механизмов блокирования и разблокирования подвижности шарнирных узлов не отличается от приведенной в разделе статики. Отличие в возможности расправлении шарнирных узлов 5 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 8. В этом случае достигается надежная подкосоустойчивость шарнирного узла 5 с механизмом фиксации и обеспечивается возможность расправления ее под нагрузкой за счет храпового эффекта этого узла. Наличие возможности перемещения тазобедренного рычага 6 относительно корпуса 33 шаровой опоры 34 позволяет динамически ликвидировать имеющуюся осевую биомеханическую рассогласованность между пространственным положением тазобедренного сустава человека и шаровыми опорами 34.

Для обеспечения снятия мышечных нагрузок с мышц голеностопов по поддержанию равновесия тела в момент приседания экзоскелетон дополнен опорным рычагом 36, которому с помощью средств фиксации в шарнирном соединении с основанием седла 1 задается требуемый угол наклона относительно седла.

Использование: в медицинской технике, а именно в травматологии и ортопедии. Сущность: экзоскелетон содержит 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 с храповым зубчатом зацеплением, соединяющий рычаги, кинематически связан с опорной платформой. Механизм фиксации шарнирного узла состоит из параллельно расположенных сегментов зубчатых колес, размещенных на общей оси, с взаимным смещением наклонных зубьев, двух пружин регулируемой упругости и шагового срабатывания, расположенных по обе стороны корпуса шарнирного узла, собачек, крышки корпуса, защитных крышек. Тазобедренный и голеностопный рычаги выполнены раздвижными в виде цилиндрических шпилек, соединенных левосторонней и правосторонней резьбой с цилиндрическими трубками. Голеностопные рычаги имеют фиксированный угол наклона относительно платформы. Тазобедренный рычаг выполнен с возможностью продольного перемещения. Элементы каркаса дополнены опорным рычагом со средствами фиксации в шарнирном соединении с основанием седла. 8 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 с храповым зубчатым зацеплением, соединяющий рычаги, кинематически связан с опорной платформой, отличающийся тем, что механизм фиксации шарнирного узла состоит из параллельно расположенных сегментов зубчатых колес, размещенных на общей оси с взаимным смещением наклонных зубьев, корпуса шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением с продольно расположенным пазом для перемещения съемной оси, двух пружин регулируемой упругости и шагового срабатывания, расположенных по обе стороны корпуса шарнирного узла и взаимодействующих с осью, собачек, взаимодействующих с сегментами зубчатых колес и посаженных на винты с штырями и пружинами, крышки корпуса, защитных крышек, тазобедренный и голеностопный рычаги выполненные раздвижными в виде цилиндрических шпилек, соединенных лево- и правосторонней резьбами с цилиндрическими трубками, голеностопные рычаги имеют фиксированный угол наклона относительно платформы, корпус тазобедренного рычага взаимодействует с корпусом крепления шаровой опоры и выполнен с возможностью продольного перемещения вдоль него, элементы каркаса дополнены опорным рычагом со средствами фиксации в шарнирном соединении с основанием седла.