ГРУЗОВОЙ ПАССИВНЫЙ ЭКЗОСКЕЛЕТ С НАСТРОЙКОЙ ПОД АНТРОПОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ Российский патент 2020 года по МПК A61H3/00 

[0001] Заявляемое изобретение относится к области удовлетворения жизненных потребностей человека и может быть использовано в туризме, спорте, при проведении специальных, спасательных и армейских операций.

[0002] Заявляемая конструкция, прежде всего, предназначена для снятия нагрузки с опорно-мышечного аппарата человека при переноске тяжестей за счет восприятия экзоскелетом вертикальной составляющей веса груза, в результате чего разгружаются позвоночник, суставы и ноги человека при движении.

[0003] Известно большое количество технических решений, относящихся к пассивному типу экзоскелетов, реализующих идею разгрузки и приводимых в движение под действием мышц человека. В качестве типичного представителя таких конструкций можно привести экзоскелет, описанный в патенте RU 2563209, А61Н 3/00, 2014, содержащий каркас с элементами крепления к туловищу, две пары тазобедренных и голеностопных рычагов, выполненных в виде пространственных оболочек, соединенных между собой посредством коленных шарниров и шарнирно связанных свободными концами с каркасом и через вилку голеностопа с опорами стоп, вставленных в интегрированную обувь.

[0004] Каркас состоит из плечевого блока в виде комбинации Х-образно соединенных пластин, Г-образно изогнутых на концах, и соединенного с ним спинным карданным узлом через две опорные площадки поясничного блока, состоящего из пояса-коромысла, изогнутого по форме поясничной области тела человека, где в верхней серединной точке коромысла крепится опорная площадка спинного кардана, а концы коромысла с элементами крепления колец карданов опущены и находятся на уровне тазобедренных суставов.

[0005] Соединение пространственных оболочек тазобедренных рычагов с каркасом осуществляется посредством кольцевых карданов с двумя степенями свободы поворота тазобедренных рычагов, основания которых через угловые консоли связаны с площадками скольжения, установленными на пространственных оболочках тазобедренных рычагов, с возможностью перемещения консоли по направляющим площадок при изменении угла между каркасом и пространственными оболочками тазобедренных рычагов, при этом соединение опорных площадок с вилкой голеностопа выполнено разъемным.

[0006] Большинство известных экзоскелетов обычно предназначено для восприятия нагрузки, размещенной на спине человека-носителя. Однако в некоторых случаях возникает потребность размещения внешней нагрузки со стороны или на груди человека, например, фото и видеооборудование, специальные защитные средства.

[0007] Известен экзоскелет, описанный в патенте US 8968222, А61Н 1/00, опубл. 2015, содержащий первую и вторую опору ног, выполненные с возможностью соединения с нижними конечностями человека и опирающиеся на опорную поверхность во время фазы опоры. Каждая опора ноги включает звено бедра и звено голени. Первый и второй коленные суставы соединяют звено бедра и звено голени соответствующей первой и второй опоры ноги, чтобы позволить сгибание и разгибание между соответствующими звеном бедра и звеном голени.

[0008] Торс экзоскелета выполнен с возможностью соединения с верхней частью тела человека, и соединен с возможностью поворота со звеном бедра каждой из первой и второй опоры ноги для того, чтобы обеспечить сгибание и разгибание между первой и второй опорами ног и торсом экзоскелета. Удерживающий нагрузку механизм соединен с указанным торсом экзоскелета с возможностью селективного перемещения относительно торса экзоскелета. Удерживающий нагрузку механизм выполнен с возможностью обеспечения поддержки, по меньшей мере, части массы груза, расположенной в передней части человека, связанного с экзоскелетом, независимо от верхних конечностей человека, связанного сэкзоскелета.

[0009] Также известен экзоскелет пассивного типа, описанный в патенте US 9095981, F16M 13/04, G03B 17/56, B25J 13/00, B66F 11/00, A61F 5/01, B25J 9/00, опубл. 2015, включающий верхний опорный узел корпуса, нижний опорный узел корпуса, шарнирно соединенный с верхним опорным узлом корпуса, циркульный узел, соединенный с нижним опорным узлом корпуса и верхним опорным узлом корпуса.

[0010] Циркульный узел содержит воспринимающий момент/нагрузку рычаг, имеющий левую сторону и правую сторону, а также дифференциальную распорку, имеющей левую сторону и правую сторону, причем дифференциальная распорка прикреплена к и расположена на некотором расстоянии от воспринимающего момент/нагрузку рычага.

[0011] Верхнее звено левого циркульного узла шарнирно прикреплено к левому верхнему опорному узлу корпуса и шарнирно прикреплено к левой стороне воспринимающего момент/нагрузку рычага. Верхнее звено правого циркульного узла шарнирно прикреплено к правому верхнему опорному узлу корпуса и шарнирно прикреплено к правой стороне воспринимающего момент/нагрузку рычага.

[0012] Нижнее звено левого циркульного узла шарнирно прикреплено к левому нижнему опорному узлу корпуса и шарнирно прикреплено к левой стороне дифференциальной распорки. Нижнее звено правого циркульного узла шарнирно прикреплено к правому нижнему опорному узлу корпуса и шарнирно прикреплено к правой стороне дифференциальной распорки.

[0013] Левый плунжер жестко прикреплен к левой стороне воспринимающего момент/нагрузку рычага и подвижно прикреплен к соединению левого верхнего опорного узла корпуса и левого нижнего опорного узла корпуса. Правый плунжер жестко прикреплен к правой стороне воспринимающего момент/нагрузку рычага и подвижно прикреплен к соединению правого верхнего опорного узла корпуса и правого нижнего опорного узла корпуса.

[0014] Недостатком известных устройств является сложность конструкции, большой вес, невысокая нагрузочная способность.

[0015] Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении арсенала технических средств пассивных грузовых экзоскелетов за счет улучшения подвижности экзоскелета под нагрузкой и без нее, а также за счет повышения устойчивости оператора. Кроме того, техническим результатом также является увеличение нагрузочной способности экзоскелета или разгрузки оператора.

[0016] Указанный технический результат достигается за счет того, что грузовой экзоскелет содержит опорный тазовый элемент, включающий раму, закрепленную на раме направляющую, правый и левый Г-образные рычаги, первым концом шарнирно установленные на раме, правую и левую стойки тазобедренного шарнира, имеющими на одном конце штырь, а вторым концом шарнирно закрепленные на втором конце соответственно правого и левого Г-образного рычагов, и закрепленные на раме первым концом правый и левый силовые рычаги.

[0017] Грузовой экзоскелет также содержит опорный элемент спины, включающий спинку, предназначенную для взаимодействия со спиной человека, закрепленные на спинке правый и левый кронштейны с направляющими, предназначенными для перемещения по ним второго конца соответственно правого и левого силовых рычагов, и стержень, одним концом закрепленный на спинке и выполненный с возможностью перемещения вторым концом по направляющей опорного тазового элемента и с возможностью наклона относительно направления перемещения.

[0018] Кроме того, экзоскелет содержит опору груди, предназначенную для размещения на груди человека и соединенную со спинкой и кронштейнами опорного элемента спины, а также опору живота, предназначенную для размещения на животе человека и соединенную с опорным тазовым элементом с возможностью их относительного вертикального смещения и поворота в сагиттальной плоскости.

[0019] Также экзоскелет содержит правую и левую опору ноги, включающие каждая предназначенное для закрепления на бедре человека бедренное звено, имеющее опору с расположенной в ней втулкой из упругого материала, в отверстие которой вставлен штырь соответствующей стойки тазобедренного сустава, голенное звено, коленный шарнир, соединяющий бедренное и голенное звенья, и предназначенный для размещения пяточной части подошвы обуви человека подкаблучник, шарнирно соединенный с голенным звеном с возможностью сгибания/разгибания и пронации/супинации стопы человека.

[0020] Предпочтительным является такое выполнение, при котором направляющие правого и левого кронштейнов были расположены под углом 10°…45° к горизонтали. Угол наклона определен в исходном положении, при котором экзоскелет полностью надет на человека, а человек стоит вертикально.

[0021] Предпочтительно, чтобы опора груди была соединена со спинкой и кронштейнами опорного элемента спины гибкими лямками.

[0022] Также предпочтительно, чтобы опора живота была соединена с опорным тазовым элементом гибкими лямками (ремнями).

[0023] Целесообразно, чтобы штырь стойки тазобедренного сустава был размещен во втулке с натягом.

[0024] Для повышения общей гибкости экзоскелета, особенно при наклонах туловища, предпочтительно размещать штырь стойки тазобедренного сустава во втулке с возможностью осевого перемещения.

[0025] В частном случае исполнения экзоскелета бедренное звено содержит первый несущий элемент, охватывающий бедро человека-носителя сзади, а голенное звено содержит второй несущий элемент, охватывающий голень человека-носителя сзади, опорный элемент голени, установленный на несущем элементе, первый рычаг, установленный на опорном элементе голени с возможностью поворота, второй рычаг, установленный на опорном элементе голени с возможностью поворота и имеющий два плеча, первую стойку, верхним концом шарнирно связанную с первым рычагом и первым плечом второго рычага, и вторую стойку, верхним концом шарнирно связанную со вторым плечом второго рычага.

[0026] При этом подкаблучник первой боковой стороной связан с нижним концом первой стойки и второй боковой стороной связан с нижним концом второй стойки при помощи голеностопных шарниров, имеющих, по крайней мере, две степени свободы вращения, а коленный шарнир выполнен состоящим из двух частей, закрепленных на соответствующих боковых сторонах несущего элемента бедра и несущего элемента голени.

[0027] Предпочтительным является такое выполнение, при котором на первом рычаге и на первом и втором плечах второго рычага расположены кронштейны, имеющие каждый ось, расположенную в плоскости, параллельной сагиттальной плоскости, причем каждый кронштейн установлен на соответствующем рычаге с возможностью изменения своего положения относительно соответствующего рычага, а каждая шарнирная связь стоек с рычагами образована осью соответствующего кронштейна и подшипником, расположенным на соответствующей стойке.

[0028] Также предпочтительно, чтобы подшипники были установлены на осях с возможностью ограниченного осевого перемещения. Такое выполнение позволяет осуществлять самонастройку голенного звена относительно ноги конкретного пользователя.

[0029] В частном случае исполнения экзоскелета на каждой боковой стороне подкаблучника может быть выполнена первая часть разъемного соединения, предназначенная для размещения соответствующей второй части разъемного соединения, выполненной на соответствующем голеностопном опорном элементе, связанным с соответствующим голеностопным шарниром. Данное исполнение позволяет, при необходимости, быстро снять или одеть экзоскелет на пользователя.

[0030] В конкретном случае выполнения грузового экзоскелета первая часть каждого разъемного соединения может быть выполнена в виде вилки и захвата. Вторая часть каждого разъемного соединения может быть образована языком, выполненным на одном конце голеностопного опорного элемента и предназначенным для взаимодействия с захватом, и осью, предназначенной для взаимодействия с вилкой. При этом ось расположена в цапфе, выполненной на втором конце голеностопного опорного элемента. Каждый голеностопный шарнир образован серьгой, имеющей два взаимно перпендикулярных отверстия, в одном из которых расположена цапфа, а во втором расположен палец, закрепленный в проушине, выполненной на соответствующих стойке.

[0031] Предпочтительно, чтобы цапфа и палец были расположены в соответствующем отверстии серьги при помощи втулок из упругого материала.

[0032] В конкретном случае выполнения экзоскелета на подкаблучнике располагаются крепежные элементы, предназначенные для фиксации обуви, в частности подошвы, человека - оператора.

[0033] Предпочтительно, чтобы крепежные элементы были расположены, по крайней мере, с двух боковых сторон и в тыльной части пятки (в области ахиллова сухожилия).

[0034] Также предпочтительно, чтобы крепежные элементы были выполнены в виде винтов, а в пяточной части подошвы обуви человека-оператора, в частности каблуке, были расположены резьбовые втулки, предназначенные для взаимодействия с соответствующими винтами.

[0035] Вышеизложенное представляет собой краткое изложение сущности изобретения и, таким образом, может содержать упрощения, обобщения, включения и/или исключения подробностей; следовательно, специалистам в данной области техники следует принять во внимание, что данное краткое изложение сущности изобретения является только иллюстративным и не подразумевает какое-либо ограничение.

[0036] Для лучшего понимания сути предлагаемого технического решения ниже приводится описание конкретного примера выполнения, не являющееся ограничительным примером практической реализации грузового экзоскелета в соответствии с заявляемым изобретением со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее.

[0037] На фиг. 1 изображен грузовой экзоскелет, аксонометрия вид сзади.

[0038] На фиг. 2 изображен грузовой экзоскелет, аксонометрия вид спереди.

[0039] На фиг. 3 изображен грузовой экзоскелет, вид сбоку.

[0040] На фиг. 4 изображена верхняя часть экзоскелета, вид сзади.

[0041] На фиг. 5 изображена верхняя часть экзоскелета, вид спереди.

[0042] На фиг. 6 изображена верхняя часть экзоскелета, исходное положение вид сбоку.

[0043] На фиг. 7 изображена верхняя часть экзоскелета, повернутое положение вид сбоку.

[0044] На фиг. 8 изображена правая опора ноги, аксонометрия вид сзади.

[0045] На фиг. 9 изображен вид Б на фиг. 8.

[0046] На фиг. 10 изображен разрез В-В на фиг. 9.

[0047] На фиг. 11 изображено голенное звено с подкаблучником, аксонометрия вид спереди.

[0048] На фиг. 12 изображено голенное звено с подкаблучником, аксонометрия вид сзади.

[0049] На фиг. 13 изображено голенное звено с подкаблучником, вид спереди.

[0050] На фиг. 14 изображен разрез Г-Г на фиг.13.

[0051] На фиг. 15 изображен разрез Д-Д на фиг.14.

[0052] На фиг. 16 изображено голенное звено с подкаблучником и ботинком, аксонометрия вид сбоку.

[0053] На фиг. 17 изображены разомкнутые голенное звено и подкаблучник с ботинком, аксонометрия вид спереди.

[0054] На фиг. 18 изображены разомкнутые голенное звено и подкаблучник с ботинком, аксонометрия вид сзади.

[0055] На фиг. 19 изображен ботинок для экзоскелета.

[0056] Следует учесть, что на чертежах представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа предложения, а сопутствующее оборудование, хорошо известное специалистам в данной области, на чертежах не представлено.

[0057] Общий вид и конструкция грузового экзоскелета в соответствии с настоящим изобретением представлены на фиг. 1-3. Грузовой экзоскелет включает в себя следующие основные части: опорный тазовый элемент 100, опорный элемент 200 спины, опору 300 груди, опору 400 живота, правую 500R и левую 500L опоры ног. Поскольку опоры ног имеют аналогичную конструкцию и, в соответствии с общей симметрией тела человека, выполнены симметрично или, по-другому, зеркально, то в дальнейшем описание будет строится применительно к одной опоре.

[0058] Опорный тазовый элемент 100 содержит раму 110, направляющую 120, правый и левый Г-образные рычаги, соответственно 130R и 130L, правую и левую стойки тазобедренного шарнира, соответственно 140R и 140L, а также правый и левый силовые рычаги, соответственно 150R и 150L (фиг. 4, 5). Г-образные рычаги 130R и 130L, стойки 140R и 140L тазобедренного шарнира и силовые рычаги 150R и 150L имеют аналогичную зеркальную конструкцию, поэтому также, как и для опор 500 ног, дальнейшее описание будет относиться к одному из их исполнений.

[0059] Направляющая 120 закреплена на раме 110 (см. фиг. 4), например, винтами 121, и имеет возможность регулирования своего положения в вертикальном направлении относительно рамы 110, например, путем перестановки винтов в ряду резьбовых отверстий 111, выполненных на раме 110.

[0060] Как показано на фиг. 4, 5 Г-образный рычаг 130 имеет на одном своем конце шарнир 131, а на другом шарнир 132. С помощью шарнира 131 Г-образный рычаг 130 установлен на раме 110 с возможностью поворота (вращения). Стойка 140 тазобедренного шарнира одном своим концом установлена на втором конце Г-образного рычага 130 с возможностью поворота (вращения) с помощью шарнира 132. На втором конце стойки 140 тазобедренного шарнира имеется штырь 141. Шарнир 131 обеспечивает отведение/приведение опоры ноги 500, а шарнир 132 обеспечивает сгибание/разгибание.

[0061] Силовой рычаг 150 в данном конкретном примере выполнения состоит из трех частей 151, 152 и 153 (см. фиг. 4-7). Такая конструкция позволяет легко осуществить подгонку экзоскелета под конкретного пользователя. Часть 151 силового рычага 150 одним концом закреплена на раме 110 винтами 154 и имеет возможность регулирования своего положения по ширине опорного тазового элемента 100 экзоскелета, например, путем перестановки винтов 154 в отверстиях 155, выполненных на части 151, и резьбовых отверстиях 112, выполненных на раме 110. Второй конец части 151 повернут относительно рамы 110 и лежит в плоскости, параллельной сагиттальной.

[0062] Часть 152 силового рычага 150 первым концом установлена на втором конце части 151 (фиг. 6, 7) с возможностью регулирования угла своего наклона к горизонтальной плоскости. Регулировка осуществляется путем перестановки болтов 156 в отверстиях 157 и 158, выполненных соответственно на части 151 и части 152 силового рычага 150, и поворота части 152 относительно болта 159, выполняющего в данном случае функцию оси.

[0063] Часть 153 силового рычага 150 первым концом установлена на втором конце части 152 (фиг. 6, 7) с возможностью регулирования угла наклона относительно части 152, а также с возможностью перемещения в вертикальном направлении. Регулировка осуществляется путем перестановки болтов 161 в отверстиях 162 и 163, выполненных соответственно на части 152 и части 153 силового рычага 150.

[0064] На втором конце части 153 силового рычага 150 установлен с возможностью вращения ролик 164. Также на этой части силового рычага 150 имеется средство, предназначенное для восприятия нагрузки, располагаемой спереди экзоскелета. В данном конкретном примере выполнения таким средством является отверстие А, к которому может цепляться, например, карабин с тросом или серьга с ремнем. Специалисту будет понятно, что в зависимости от типа нагрузки и характера решаемых задач средство восприятия нагрузки может иметь любую известную из уровня техники конструкцию.

[0065] Опорный элемент 200 спины содержит спинку 210, правый и левый кронштейны, соответственно 220R и 220L, а также стержень 230. Спинка 210 имеет анатомическую форму и предназначена для взаимодействия со спиной человека - пользователя экзоскелета. Кронштейны 220R и 220L имеют аналогичную зеркальную конструкцию, поэтому в дальнейшем будет описано одно из их исполнений.

[0066] Кронштейн 220 в данном конкретном примере выполнения состоит из двух частей: часть 221 и часть 222 (см. фиг. 4-7). Часть 221 кронштейна 220 одним концом закреплена на задней стороне спинки 210 крепежными элементами 211. Крепежные элементы 211 выполнены, например, в виде закладных винтов, заделанных в тело спинки 210, и гаек. Часть 221 кронштейна 220 имеет возможность регулирования своего положения по ширине и высоте спинки 210, путем перестановки и размещения отверстий 223, выполненных на части 221, на крепежных элементах 211. Второй конец части 221 повернут относительно первого конца и лежит в плоскости, параллельной сагиттальной.

[0067] Часть 222 кронштейна 220 выполнена в виде Г-образной пластины, первый конец которой закреплен на втором конце части 221 с возможностью регулирования вылета и угла наклона. На втором конце части 222 кронштейна 220 выполнены отверстия 224. Также часть 222 имеет направляющую 225, выполненную, например, в виде прорези и предназначенную для перемещения по ней ролика 164 силового рычага 150. Угол наклона направляющей 225 к горизонтальной поверхности устанавливается равным 10°…45° при стоящем вертикально человеке с полностью одетым экзоскелетом. Вылет части 222 и угол наклона направляющей 224 регулируется путем перестановки болтов 226 в отверстиях 227 и 228, выполненных, соответственно, на части 221 и 222.

[0068] Стержень 230 (см. фиг. 4, 6, 7) одним концом закреплен на задней поверхности спинки 210 с помощью крепежных элементов 211. На втором конце стержня 230 расположены ролики 231, предназначенные для перемещения по пазам 122, выполненным на направляющей 120. На фиг. 6 показано начальное положение, при котором стержень 230 повернут на некоторый начальный угол а относительно поверхности пазов 122 или, по-другому, относительно направления перемещения роликов 231. На фиг. 7 показано положение при наклоне корпуса человека вперед, при котором стержень 230 повернут на угол β относительно поверхности пазов 122.

[0069] Опора 300 груди предназначена для размещения на груди человека и связана гибкими боковыми лямками 302 и гибкими наплечными лямками 303 с опорным элементом 200 спины (фиг. 4, 5). Боковые лямки 302 фиксируются на соответствующих частях 222 кронштейнов 220 крепежными элементами 304, а наплечные лямки соединяются со спинкой 210 через плечевые кронштейны 305 с плечевыми упорами 306. Крепежные элементы 304 в простейшем случае могут быть выполнены в виде винтов.

[0070] Регулировка опоры 300 груди по высоте осуществляется за счет перестановки крепежный элементов 304 в отверстиях 223 кронштейнов 220. Регулировка наплечных лямок 303 по длине и по ширине спинки 210 осуществляется путем перестановки плечевых кронштейнов 305 и размещения отверстий 307, выполненных на кронштейнах 305, на крепежных элементах 211.

[0071] Опора 400 живота (фиг. 4, 5) предназначена для размещения на животе человека и связана с опорным тазовым элементом 100 ремнями (гибкими лямками) 402, расположенными по бокам опоры 400 живота. Ремни 402 фиксируются на опорном тазовом элементе 100 замками 403, расположенными на части 151 соответствующего опорного рычага 150. Гибкость ремней 402 позволяет обеспечить вертикальное смещения и поворот в сагиттальной плоскости опоры 400 живота относительно опорного тазового элемента 100, что придает экзоскелету необходимую гибкость при наклонах туловища оператора.

[0072] Опора 500 ноги (фиг. 8, 9) включает в себя бедренное звено 510, коленный шарнир 520, голенное звено 530 и подкаблучник 600. В данном конкретном примере выполнения бедренное звено содержит первый несущий элемент 511, выполненный в виде пространственной конструкции, охватывающей бедро человека-носителя экзоскелета сзади.

[0073] На несущем элементе 511 закреплена регулировочная пластина 512, предназначенная для размещения опоры 513. Последняя крепится к регулировочной пластине 512 винтами 514. Регулировка положения опоры 513 осуществляется путем перестановки винтов 514 в отверстиях 515, выполненных на пластине 512. На несущем элементе 511 также имеется элемент 516 крепления бедренного звена 510 к бедру человека.

[0074] В опоре 513 расположена втулка 517 из упругого материала, например, резины. В отверстие втулки 517 вставляется штырь 141 стойки 140 тазобедренного шарнира. Втулка 517 позволяет обеспечить вращение штыря 141 относительно опоры 513 с тремя степенями свободы. При отведении/приведении стопы штырь 141 поворачивается вокруг своей оси и одновременно наклоняется во втулке 517, поворачивая стойку 140 в шарнире 132 на некоторый угол. За счет этого обеспечивается наиболее точное соответствие движения экзоскелета движению ноги человека.

[0075] Расположение штыря 141 во втулке 516 с возможностью перемещения может быть полезным для улучшения общей подвижности экзоскелета, особенно при наклонах туловища пользователя вперед. Установка штыря 141 во втулке 516 с натягом предотвращает самопроизвольное отсоединение опоры 500 ноги от опорного тазового элемента 100, а также амортизирует удары и компенсирует неточности изготовления.

[0076] Коленный шарнир 520 включает в себя два шарнирных узла 521, расположенных по бокам ноги пользователя. Конструкция шарнирного узла 521 не имеет каких-либо особенностей и может быть любой из применяемых в аналогичных конструкциях экзоскелета. Для соединения с бедренным звеном 510 и го ленным звеном 530 коленный шарнир содержит два рычага 522 и 523, имеющие регулировочные площадки с отверстиями. Регулировка положения коленного шарнира 520 под конкретного пользователя осуществляется аналогично регулировке положения опоры 513 на пластине 512.

[0077] Голенное звено 530 (фиг. 11-13) содержит второй несущий элемент 531, охватывающий голень человека-носителя сзади. Опорный элемент 532 голени установлен на несущем элементе 531 с возможностью регулирования своего положения по высоте. Регулировка осуществляется с помощью винта 533.

[0078] Первый рычаг 540 установлен на опорном элементе 532 голени с возможностью поворота на оси 534. Второй рычаг 550 установлен на опорном элементе 532 голени с возможностью поворота оси 535.

[0079] Первый рычаг 540 включает в себя основание 541 и кронштейн 542. Конец кронштейна 542 повернут относительно основания 541 и лежит в плоскости, параллельной сагиттальной. На конце кронштейна 542 расположена ось 543, также лежащая в плоскости, параллельной сагиттальной.

[0080] Второй рычаг 550 включает в себя основание 551, имеющее первое плечо 551а и второе плечо 551b (фиг. 13), кронштейн 552, расположенный на первом плече, и кронштейн 553, расположенный на втором плече. Концы кронштейнов 552 и 553 повернуты относительно основания 551 и лежат в плоскости, параллельной сагиттальной. На конце кронштейнов 552 и 553 расположены соответственно ось 554 и ось 555, также лежащие в плоскости, параллельной сагиттальной.

[0081] Для подгонки голенного звена под конкретного человека-носителя длина рычагов 540 и 550 может меняться. Для этого кронштейн 542 установлен на основании 541 и, соответственно, кронштейны 552 и 553 на основании 551, с возможностью перемещения с последующей фиксацией. Фиксация кронштейна 542 на основании 541 и кронштейнов

552, 553 на основании 541 может осуществляться любым известным из уровня техники способом. В данном конкретном примере реализации изобретения фиксация осуществляется посредством зубьев 544, выполненных на основании 541 и кронштейне 542, и зубьев 556, выполненных, соответственно, на основании 551 и кронштейнах 552 и 553, а также винтов 545 и 557.

[0082] Первая стойка 560 содержит первую 561 и вторую 562 части. На верхнем конце первой части 561 расположены подшипники 563 и 564. Подшипник 563 установлен на оси 543 первого рычага 540, а подшипник 564 установлен на оси 554 второго рычага 550, образуя при этом шарнирные соединения первой стойки 560 с первым рычагом 540 и первым плечом 551а второго рычага 550. На нижнем конце второй части 562 выполнена проушина 565 с установленным в ней пальцем 566.

[0083] Вторая стойка 570 содержит первую 571 и вторую 572 части. На верхнем конце первой части 571 расположен подшипники 573. Подшипник 573 установлен на оси 555 второго рычага 550, образуя при этом шарнирное соединение второй стойки 570 со вторым плечом 55 lb второго рычага 550. На нижнем конце второй части 572 выполнена проушина 574 с установленным в ней пальцем 575.

[0084] Изменение длины стоек 560 и 570 для индивидуальной подгонки под конкретного носителя экзоскелета происходит аналогично рычагам 540 и 550 за счет перемещения первых частей 561 и 571 относительно вторых частей 562 и 572, соответственно. Фиксация в данном примере выполнения осуществляется зубьями, выполненными, соответственно, на частях 561, 562 и 571, 572 стоек 560 и 570, а также болтами 567 и 576 соответственно.

[0085] Подшипники 563, 564 первой стойки 560 и подшипник 573 второй стойки 570 для обеспечения самоустановки стоек 560 и 570 могут быть установлены на соответствующих осях рычагов 540 и 550 с возможностью осевого перемещения, ограниченного анатомическими особенностями человека-носителя.

[0086] В проушинах 565, 574 стоек 560, 570 установлены голеностопные шарниры 580, имеющие две степени свободы. В данном конкретном примере выполнения каждый голеностопный шарнир 580 содержит голеностопный опорный элемент 581 и серьгу 582, имеющую два взаимно перпендикулярных отверстия 583 и 584. Отверстие 583 серьги 582 соответствующего голеностопного шарнира 580 расположено на соответствующем пальце 566, 575.

[0087] Голеностопный опорный элемент 581 имеет цапфу 585 с отверстием и язык 586. В отверстии цапфы 585 расположена ось 587, имеющая буртик 588 и шейку 589 (фиг.14, 15). Цапфа 585 расположена в отверстии 584 серьги 582. В отверстии 583 между серьгой 582 и соответствующим пальцем 566, 575 расположен упругий элемент 591, выполненный, например, в виде резиновой втулки. В отверстии 584 между серьгой 582 и цапфой 585 расположен упругий элемент 592, выполненный, например, в виде резиновой втулки. Буртик 588 оси 587 фиксирует упругий элемент 592 в осевом направлении.

[0088] Упругие элементы 591 и 592 выполняют функцию компенсации возможных неточностей изготовления и сборки, перекосов, а также некоторой амортизации.

[0089] Подкаблучник 600 включает в себя основание 601 с кронштейнами 602 и 603, расположенными соответственно на первой и второй боковой стороне подкаблучника 600. В пяточной части основания 601 расположен кронштейн 604. В верхней части кронштейнов 602 и 603 выполнены вилки 605 и 606, соответственно. Также на кронштейнах 602 и 603 расположены захваты 607 и 608, соответственно.

[0090] Подкаблучник 600 в данном примере исполнения изобретения связан с голенным звеном 530 с помощью разъемного соединения, первая часть которого образована вилками 605, 606 и захватами 607, 608. Вторая часть разъемного соединения образована языком 586 и осью 587 соответствующего голеностопного шарнира 580.

[0091] Как показано на фиг.17,18 язык 586 голеностопного шарнира 580, соответствующего стойке 560, вставляется в захват 607 подкаблучника 600, а язык 586 голеностопного шарнира 580, соответствующего стойке 570, вставляется в захват 608. Для надежного соединения языки 586 и соответствующие поверхности захватов 607, 608 могут иметь клиновидную форму.

[0092] При соединении подкаблучника 600 с голенным звеном 530 шейка 589 оси 587 голеностопного шарнира 580, соответствующего стойке 560, опирается на поверхность вилки 605, а шейка 589 оси 587 голеностопного шарнира 580, соответствующего стойке 570, опирается на поверхность вилки 606.

[0093] В собранном виде 530 и подкаблучник 600 обеспечивают реализацию функции движения голеностопного сустава человека. За функцию сгибания-разгибания отвечает шарнир, образованный осью 587 и голеностопным опорным элементом 581.

[0094] За функцию супинации-пронации отвечает шестизвенный механизм, включающий в себя опорный элемент 532, первый рычаг 540, второй рычаг 550, первую стойку 560, вторую стойку 570 и подкаблучник 600. Такой механизм обеспечивает наиболее точное соответствие движению голеностопного сустава человека и, кроме того, обеспечивает повышенную нагрузочную способность за счет более равномерного распределения усилий на стойки.

[0095] Как показано на фиг. 16-18, для крепления обуви 610 пользователя к подкаблучнику на кронштейнах 602, 603, 604 установлены крепежные элементы в виде винтов 609. Для надежной фиксации в обувь 610 могут быть интегрированы ответные крепежные элементы 611, например, в виде резьбовых втулок (фиг. 19).

[0096] Предлагаемый экзоскелет предназначен в основном для работы с грузами, располагаемыми спереди пользователя. В этом случае вес груза прикладывается к отверстиям А, расположенным на силовых рычагах 150L и 150R. Вертикальная составляющая веса груза через части 153, 152 и 151 силовых рычагов 150L и 150R передается на раму 110 опорного тазового элемента 100 минуя позвоночник оператора.

[0097] При этом, поскольку точка приложения груза к экзоскелету (отверстие А) расположена от оси шарнира 131 опорного тазового элемента 100 на некотором расстоянии, создается опрокидывающий момент, поворачивающий раму 110 вокруг оси шарнира 131. Опрокидывающий момент или неуравновешенность груза парируется спинкой 210 или опорой 300 груди в зависимости от смещения центра тяжести груза.

[0098] Конструкция используемого в экзоскелете сочленения опорного тазового элемента 100 и опорного элемента спины 200, при котором стержень 230 роликом 231 взаимодействует с пазом 122 направляющей 120 и силовые рычаги 150 роликом 164 взаимодействуют с направляющей 225 кронштейнов 220, позволяет пользователю естественно наклоняться вперед как с грузом, так и без него.

[0099] Далее нагрузка от рамы 110 передается через Г-образные рычаги 130 и стойки 140 на бедренные звенья 510. С бедренных звеньев 510 через коленные шарниры 520 нагрузка передается на голенные звенья 530 и далее через подпятник 600 на опорную поверхность.

[0100] Также экзоскелет может применяться для работы с нагрузкой, располагаемой сзади пользователя или комбинированной нагрузкой. В этом случае груз прикрепляется к спинке 210 опорного элемента 200 спины. Крепление груза к спинке 210 может осуществляться любым известным способом. Вес груза через стержень 230 и опору 120, а также через кронштейны 220L, 220R и силовые рычаги 150L, 150R передается на раму 110 опорного тазового элемента 100, что повышает нагрузочную способность и устойчивость экзоскелета.

[0101] При этом, поскольку центр тяжести груза расположен от оси шарнира 131 опорного тазового элемента 100 на некотором расстоянии, создается опрокидывающий момент, поворачивающий раму 110 вниз вокруг оси шарнира 131. В данном случае опрокидывающий момент или неуравновешенность груза парируется опорой 300 груди и опорой 400 живота.

[0102] Нагрузка от рамы 110 на опорную поверхность передается аналогично тому, как было описано ранее для груза, расположенного спереди пользователя экзоскелетом.

[0103] Хотя в данном документе были описаны различные стороны осуществления заявленного изобретения, специалистам в данной области техники понятно, что возможны другие подходы к осуществлению представленного изобретения. Различные стороны и реализация данного изобретения изложены в настоящем описании в иллюстративных целях и не подразумевают ограничения, причем объем защиты настоящего изобретения указан в нижеследующей формуле изобретения.

Изобретение относится к медицине. Грузовой пассивный экзоскелет с настройкой под антропометрические параметры пользователя содержит опорный тазовый элемент (100), опорный элемент спины (200), опору груди (300), опору живота (400), а также правую и левую опоры ноги. Опорный тазовый элемент включает раму, закрепленную на раме направляющую, правый (130R) и левый (130L) Г-образные рычаги, первым концом шарнирно установленные на раме, правую (140R) и левую (140L) стойки тазобедренного шарнира, имеющие на одном конце штырь, а вторым концом шарнирно закрепленные на втором конце соответственно правого и левого Г-образных рычагов, и закрепленные на раме первым концом правый (150R) и левый (150L) силовые рычаги. Опорный элемент спины включает спинку, предназначенную для взаимодействия со спиной человека, закрепленные на спинке правый и левый кронштейны с направляющими, предназначенными для перемещения по ним второго конца соответственно правого и левого силовых рычагов, и стержень, одним концом закрепленный на спинке и выполненный с возможностью перемещения вторым концом по направляющей опорного тазового элемента и с возможностью наклона относительно направления перемещения. Опора груди предназначена для размещения на груди человека и соединена со спинкой и кронштейнами опорного элемента спины. Опора живота предназначена для размещения на животе человека и соединена с опорным тазовым элементом с возможностью их относительного вертикального смещения и поворота в сагиттальной плоскости. Правая (500R) и левая (500L) опоры ноги включают каждая бедренное звено, предназначенное для закрепления на бедре человека, имеющее опору с расположенной в ней втулкой из упругого материала, в отверстие которой вставлен штырь соответствующей стойки тазобедренного сустава, голенное звено, коленный шарнир, соединяющий бедренное и голенное звенья, и предназначенный для размещения пяточной части подошвы обуви человека подкаблучник, шарнирно соединенный с голенным звеном с возможностью сгибания/разгибания и пронации/супинации стопы человека. Изобретение обеспечивает улучшение подвижности экзоскелета под нагрузкой и без нее. 14 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Грузовой пассивный экзоскелет с настройкой под антропометрические параметры пользователя, содержащий

- опорный тазовый элемент, включающий раму, закрепленную на раме направляющую, правый и левый Г-образные рычаги, первым концом шарнирно установленные на раме, правую и левую стойки тазобедренного шарнира, имеющие на одном конце штырь, а вторым концом шарнирно закрепленные на втором конце соответственно правого и левого Г-образных рычагов, и закрепленные на раме первым концом правый и левый силовые рычаги,

- опорный элемент спины, включающий спинку, предназначенную для взаимодействия со спиной человека, закрепленные на спинке правый и левый кронштейны с направляющими, предназначенными для перемещения по ним второго конца соответственно правого и левого силовых рычагов, и стержень, одним концом закрепленный на спинке и выполненный с возможностью перемещения вторым концом по направляющей опорного тазового элемента и с возможностью наклона относительно направления перемещения,

- опору груди, предназначенную для размещения на груди человека и соединенную со спинкой и кронштейнами опорного элемента спины,

- опору живота, предназначенную для размещения на животе человека и соединенную с опорным тазовым элементом с возможностью их относительного вертикального смещения и поворота в сагиттальной плоскости,

- правую и левую опоры ноги, включающие каждая предназначенное для закрепления на бедре человека бедренное звено, имеющее опору с расположенной в ней втулкой из упругого материала, в отверстие которой вставлен штырь соответствующей стойки тазобедренного сустава, голенное звено, коленный шарнир, соединяющий бедренное и голенное звенья, и предназначенный для размещения пяточной части подошвы обуви человека подкаблучник, шарнирно соединенный с голенным звеном с возможностью сгибания/разгибания и пронации/супинации стопы человека.

2. Грузовой экзоскелет по п. 1, отличающийся тем, что направляющие правого и левого кронштейнов расположены под углом 10°…45° к горизонтали.

3. Грузовой экзоскелет по п. 1, отличающийся тем, что опора груди соединена со спинкой и кронштейнами опорного элемента спины гибкими лямками.

4. Грузовой экзоскелет по п. 1, отличающийся тем, что опора живота соединена с опорным тазовым элементом гибкими лямками.

5. Грузовой экзоскелет по п. 1, отличающийся тем, что штырь стойки тазобедренного сустава размещен во втулке с натягом.

6. Грузовой экзоскелет по п. 1, отличающийся тем, что штырь стойки тазобедренного сустава размещен во втулке с возможностью осевого перемещения.

7. Грузовой экзоскелет по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что бедренное звено содержит первый несущий элемент, охватывающий бедро человека-носителя сзади,

- голенное звено содержит второй несущий элемент, охватывающий голень человека-носителя сзади, опорный элемент голени, установленный на несущем элементе, первый рычаг, установленный на опорном элементе голени с возможностью поворота, второй рычаг, установленный на опорном элементе голени с возможностью поворота и имеющий два плеча, первую стойку, верхним концом шарнирно связанную с первым рычагом и первым плечом второго рычага, вторую стойку, верхним концом шарнирно связанную со вторым плечом второго рычага,

- подкаблучник первой боковой стороной связан с нижним концом первой стойки и второй боковой стороной связан с нижним концом второй стойки при помощи голеностопных шарниров, имеющих, по крайней мере, две степени свободы вращения,

- а коленный шарнир выполнен состоящим из двух частей, закрепленных на боковых сторонах несущего элемента бедра и несущего элемента голени.

8. Грузовой экзоскелет по п. 7, отличающийся тем, что на первом рычаге и на первом и втором плечах второго рычага расположены кронштейны, имеющие каждый ось, расположенную в плоскости, параллельной сагиттальной плоскости, причем каждый кронштейн установлен на соответствующем рычаге с возможностью изменения своего положения относительно соответствующего рычага, а каждая шарнирная связь стоек с рычагами образована осью соответствующего кронштейна и подшипником, расположенным на соответствующей стойке.

9. Грузовой экзоскелет по п. 8, отличающийся тем, что подшипники установлены на осях с возможностью ограниченного осевого перемещения.

10. Грузовой экзоскелет по п. 7, отличающийся тем, что на каждой боковой стороне подкаблучника выполнена первая часть разъемного соединения, предназначенная для размещения соответствующей второй части разъемного соединения, выполненной на соответствующем голеностопном опорном элементе, связанном с соответствующим голеностопным шарниром.

11. Грузовой экзоскелет по п. 10, отличающийся тем, что первая часть каждого разъемного соединения выполнена в виде вилки и захвата, вторая часть каждого разъемного соединения образована языком, выполненным на одном конце голеностопного опорного элемента и предназначенным для взаимодействия с захватом, и осью, предназначенной для взаимодействия с вилкой и расположенной в цапфе, выполненной на втором конце голеностопного опорного элемента, каждый голеностопный шарнир образован серьгой, имеющей два взаимно перпендикулярных отверстия, в одном из которых расположена цапфа, а во втором расположен палец, закрепленный в проушине, выполненной на соответствующей стойке.

12. Грузовой экзоскелет по п. 11, отличающийся тем, что цапфа и палец расположены в соответствующем отверстии серьги посредством втулок из упругого материала.

13. Грузовой экзоскелет по любому из пп. 1-12, отличающийся тем, что на подкаблучнике расположены крепежные элементы, предназначенные для фиксации обуви человека-оператора.

14. Грузовой экзоскелет по п. 13, отличающийся тем, что крепежные элементы расположены, по крайней мере, с двух боковых сторон и в тыльной части пятки.

15. Грузовой экзоскелет по п. 14, отличающийся тем, что крепежные элементы выполнены в виде винтов, а в пяточной части подошвы обуви человека-оператора расположены резьбовые втулки, предназначенные для взаимодействия с соответствующими винтами.