Экзоскелет Российский патент 2025 года по МПК A61H3/00 B25J9/00 

Заявляемое техническое решение относится к экзоскелетам и другим носимым конструкциям, выполненным с возможностью оказания помощи человеку при перемещении грузов. В частности, заявляемое решение относится к пассивным экзоскелетам и/или экзоскелетам без механического привода.

Экзоскелеты находят свое применение в различных отраслях, требующих подъемов тяжелых грузов, так как значительно увеличивают массу полезной нагрузки, возможную к переносу человеком, без получения травм. Подобные устройства могут применяться, например, строителями, пожарными, полицейскими, военными, туристами и т.д. для перемещения грузов, иногда на большие расстояния. Кроме того, данные устройства должны не ограничивать возможности движения человека, быть безопасными и надежными, а также позволять удерживать большую полезную нагрузку, превышающую безопасный предел человеческих возможностей.

Из уровня техники известен модульный экзоскелет, содержащий нагрудную пластину, спинную пластину, пояс, набедренные манжеты и упругий элемент. Экзоскелет содержит раму, выполненную по форме в виде буквы «Г», которая соединяет нагрудную пластину, спинную пластину и пояс со смонтированной набрюшной пластиной и трубчатым креплением за счет установки универсальных креплений, при этом универсальные крепления необходимы для установки дополнительных модулей, таких как подголовник, фронтальная опора, эластичные тросы с зацепами, ролик, через который параллельно протянуты упругий и неупругий элементы, соединенные с набедренными манжетами, активный модуль. Спинная пластина выполнена по форме естественного прогиба позвоночника человека и содержит велкроткань и мягкие прокладки для настройки под индивидуальные особенности человека, а упругий и неупругие элементы содержат пряжки для регулировки степени провиса и силы натяжения данных элементов. Также набедренные манжеты содержат велкроткань для быстрого их закрепления и сброса, а активный модуль содержит корпус, микроконтроллер, лебедку, батарею, трос, карабин, датчик углового перемещения, сенсор. Патент РФ № RU202567U1, МПК A62B 99/00, опубликован 25.02.2021.

Из уровня техники также известно решение, выбранное в качестве ближайшего аналога, представляющее собой экзоскелет, выполненный с возможностью ношения пользователем для поддержки и передачи нагрузки, переносимой пользователем. Из описания решения известно, что экзоскелет включает левую и правую секцию нижних конечностей, каждая из которых обычно содержит три основные части: соединительный узел тазобедренного сустава, верхний элемент нижней конечности и нижний элемент нижней конечности. Соединительный узел тазобедренного сустава крепится к соответствующему тазобедренному элементу секции тазобедренного сустава и к верхней концевой части верхнего элемента нижней конечности. Соединительный узел тазобедренного сустава является шарнирно-сочлененным для обеспечения возможности перемещения верхнего элемента нижней конечности относительно секции тазобедренного сустава при движении пользователя (например, ходьбе, беге, опускании на колени, стоянии на корточках и т.д.). Верхний элемент нижней конечности соединен с тазобедренным соединительным узлом и с нижним элементом нижней конечности. Верхняя концевая часть верхнего элемента нижней конечности шарнирно установлена на тазобедренном соединительном узле, а нижняя концевая часть верхнего элемента нижней конечности шарнирно соединена с нижним элементом нижней конечности. Шарнирное соединение между верхним и нижним элементами нижней конечности обычно располагается на уровне колена пользователя для обеспечения возможности нижнему элементу нижней конечности следовать за перемещениями нижней части ноги пользователя относительно верхней части нижней конечности. Нижний элемент нижней конечности обычно проходит вниз и в направлении внутренней стороны ноги пользователя, так чтобы передавать нагрузку от внешней части ноги в направлении внутренней части ноги и вниз на внутреннюю сторону ступни пользователя. При этом нижняя концевая часть нижнего элемента нижней конечности заканчивается подошвенной вставкой, выполненной с возможностью размещаться в обуви (например, в ботинке) пользователя. Патент РФ № RU2696631C2, МПК B25J 11/00, A61F 2/50, A61F 2/60, A61F 5/00, F41H 13/00, опубликован 05.08.2019.

Отличительным признаком заявляемого решения является, в частности, то, что коленная часть секции нижних конечностей включает две детали, соединенные друг с другом, обеспечивающие возможность сгибания коленной части, одна из которых соединена с возможностью вращения с соединительной деталью коленной части, а другая соединена с возможностью вращения с соединительной деталью голенной части, что придает заявляемому экзоскелету высокую подвижность. При этом, заявляемое решение также отличает, в частности, соединение верхней голенной детали с нижней голенной деталью посредством амортизатора, благодаря чему обеспечивается амортизация экзоскелета, повышается его эффективность и надежность, а также удобство и безопасность использования.

Технический результат заявляемого решения заключается в повышении эффективности, надежности и технологичности экзоскелета.

Повышение эффективности достигается, в частности, повышением массы возможной к перемещению полезной нагрузки, а также повышением подвижности экзоскелета. Повышение надежности достигается, в частности, повышением износостойкости и долговечности экзоскелета. Повышение технологичности достигается, в частности, повышением удобства использования экзоскелета и упрощением его подготовки к эксплуатации.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что экзоскелет включает секцию туловища, соединенную с секцией нижних конечностей посредством секции тазобедренного сустава, при этом секция нижних конечностей включает бедренную часть, соединенную с коленной частью, соединенной с голенной частью, при этом бедренная часть включает верхнюю набедренную деталь, содержащую паз, в котором установлена с возможностью перемещения и фиксации в нем соединительная деталь секции тазобедренного сустава, нижнюю набедренную деталь, содержащую паз, в котором установлена с возможностью перемещения и фиксации в нем соединительная деталь коленной части, соединенные друг с другом с возможностью изменения и фиксации расстояния между ними, при этом коленная часть включает две детали, соединенные друг с другом, обеспечивающие возможность сгибания коленной части, одна из которых соединена с возможностью вращения с соединительной деталью коленной части, а другая соединена с возможностью вращения с соединительной деталью голенной части, при этом голенная часть включает верхнюю голенную деталь, содержащую паз, в котором установлена с возможностью перемещения и фиксации в нем соединительная деталь голенной части, соединенную посредством амортизатора с нижней голенной деталью, соединенной с элементом поддержки стопы, причем секция тазобедренного сустава включает поясничную часть, соединяющую секцию туловища с поясной частью, включающей поясные крепления, установленные с возможностью перемещения вдоль поясной части, каждое из которых шарнирно соединено с соединительной деталью поясной части конечности, соединенной с соединительной деталью секции тазобедренного сустава конечности, а секция туловища содержит два позвоночных столба, каждый из которых включает гибкий стержень, на котором установлены с чередованием позвонки и межпозвонковые проставки, и выполнена с возможностью соединения с секцией плечевого пояса, которая выполнена в виде жесткого каркаса, включающего левый и правый плечевые держатели.

Заявляемый экзоскелет включает секцию туловища, соединенную с секцией нижних конечностей посредством секции тазобедренного сустава, что является имитацией анатомического строения тела человека и обеспечивает передачу нагрузки с секции туловища на секцию тазобедренного сустава, далее на секцию нижних конечностей и на опорную поверхность, тем самым снимая нагрузку со спины пользователя, облегчая для него перемещение тяжелых грузов. В некоторых предпочтительных вариантах секция туловища содержит два позвоночных столба, каждый из которых включает гибкий стержень, на котором установлены с чередованием позвонки и межпозвонковые проставки. Гибкие стержни могут быть соединены в верхней части с секцией плечевого пояса, и в нижней части с секцией тазобедренного сустава, при этом гибкий стержень может быть расположен в полости позвонков и межпозвонковых проставок. Позвоночные столбы могут быть соединены друг с другом соответствующими параллельными позвонками, межпозвонковые проставки могут быть выполнены в виде упругих элементов, соединенных с верхними и нижними позвонками для амортизации нагрузки между ними, помещенных в упругий корпус. В некоторых вариантах исполнения секция туловища может быть соединена с секцией плечевого пояса, предпочтительно выполненной в виде жесткого каркаса, включающего левый и правый плечевые держатели, каждый из которых закреплен на одном конце удлинительного элемента, другим концом закрепленного с переходным элементом, и соединенного с верхней межпозвонковой проставкой соответствующего позвоночного столба посредством гибкого стержня. Секция плечевого пояса также может включать жесткие накладки для удержания массы полезной нагрузки, жестко закрепленные на удлинительных элементах.

Секция нижних конечностей включает бедренную часть, соединенную с коленной частью, соединенной с голенной частью, что также является повторением анатомического строения нижних конечностей человека, позволяющим экзоскелету также соответствовать биомеханике движений нижних конечностей человека, что обеспечивает экзоскелет высокой подвижностью, и как следствие эффективностью. Кроме того, такое исполнение секции нижних конечностей также необходимо для передачи нагрузки, принимаемой с секции тазобедренного сустава, последовательно на бедренную, коленную и голенную части и далее на опорную поверхность через элемент поддержки стопы, что снимает нагрузку с тела пользователя при перемещении грузов. Соединение трех частей секции нижних конечностей друг с другом соответствует строению нижней конечности человека, где бедро соединяется с голенью посредством коленного сустава, что дает возможность расположения данных частей в разных плоскостях, соответствуя положению нижней конечности пользователя при различных движениях. При этом, наличие трех частей секции нижних конечностей, соединенных друг с другом, также повышает надежность экзоскелета в связи с повторением биомеханики движения человека, и как следствие отсутствием напряжений в частях экзоскелета при несоответствии возможности движения конечности человека с движением секции нижних конечностей экзоскелета, тем самым предотвращая деформацию и повреждение деталей секции нижних конечностей, повышая долговечность и износостойкость экзоскелета. Для специалиста в данной области техники очевидно, что бедренная, коленная, голенная части и элемент поддержки стопы выполнены соответственно для каждой нижней конечности пользователя.

Бедренная часть включает верхнюю набедренную деталь, содержащую паз, в котором установлена с возможностью перемещения и фиксации в нем соединительная деталь секции тазобедренного сустава, и нижнюю набедренную деталь, содержащую паз, в котором установлена с возможностью перемещения и фиксации в нем соединительная деталь коленной части, соединенные друг с другом с возможностью изменения и фиксации расстояния между ними, что повышает эффективность и надежность заявляемого экзоскелета, а также его технологичность. Выполнение верхней набедренной детали, содержащей паз, в котором установлена с возможностью перемещения и фиксации в нем соединительная деталь секции тазобедренного сустава, позволяет соединить бедренную часть секции нижних конечностей с секцией тазобедренного сустава, а также за счет возможности перемещения и фиксации соединительной детали секции тазобедренного сустава в пазу верхней набедренной детали обеспечивает возможность регулировки положения деталей относительно друг друга и позволяет настроить секцию нижних конечностей экзоскелета под параметры конкретного пользователя, в частности под обхват бедра, что обеспечивает плотное прилегание бедренной части к бедру пользователя, тем самым упрощая процесс подготовки экзоскелета к эксплуатации, повышая удобство его использования, и как следствие технологичность. Выполнение нижней набедренной детали, содержащей паз, в котором установлена с возможностью перемещения и фиксации в нем соединительная деталь коленной части, позволяет соединить бедренную часть с коленной частью, а также за счет возможности перемещения и фиксации соединительной детали коленной части в пазу нижней набедренной детали, аналогично вышеописанному выполнению верхней набедренной детали, обеспечивает возможность регулировки положения деталей относительно друг друга и позволяет настроить секцию нижних конечностей экзоскелета под параметры конкретного пользователя, в частности под обхват нижней части бедра, что обеспечивает плотное прилегание бедренной части к бедру пользователя, тем самым упрощая процесс подготовки экзоскелета к эксплуатации, повышая удобство его использования и как следствие технологичность. Выполнение бедренной части с верхней набедренной деталью и нижней набедренной деталью позволяет учесть разницу параметров бедра пользователя, в частности обхвата бедра в верхней части и в нижней, которые зачастую отличаются, что также повышает плотность прилегания бедренной части к бедру пользователя, тем самым повышая удобство использования экзоскелета. Соединение верхней набедренной детали с нижней набедренной деталью с возможностью изменения и фиксации расстояния между ними, позволяет настроить длину бедренной части для соответствия параметрам пользователя, в частности длине бедра, что также повышает удобство использования заявляемого решения и упрощает подготовку его к эксплуатации. Такое исполнение бедренной части, позволяющее настроить бедренную часть секции нижних конечностей экзоскелета под параметры конкретного пользователя, в частности под обхват и длину бедра, повышает эффективность и надежность заявляемого решения за счет обеспечения стабильного положения секции нижних конечностей относительно пользователя, предотвращающего смещение вектора нагрузки, что может привести к деформации и повреждению деталей, а также потере устойчивости при перемещении больших грузов. При отсутствии возможности регулирования бедренной части для достижения плотного прилегания ее к бедру пользователя за счет возможности сгибания коленной части экзоскелета, а также соединения ее деталей с возможностью вращения, велика вероятность переноса основной части нагрузки на тело пользователя, а также повышения давления на подвижные узлы соединения деталей друг с другом, что может привести к повреждению соединения, снижая износостойкость, долговечность, и как следствие надежность решения, а также не позволит упростить для пользователя перемещение грузов, уменьшит массу возможной к перемещению полезной нагрузки, что также снизит эффективность заявляемого экзоскелета. Кроме того, при отсутствии возможности регулирования бедренной части для достижения плотного прилегания ее к бедру пользователя повышается трение между телом пользователя и деталями экзоскелета, что также уменьшает удобство его использования. Выполнение паза в верхней набедренной детали и в нижней набедренной детали для возможности перемещения и фиксации соединительной детали секции тазобедренного сустава и соединительной детали коленной части соответственно является наиболее простым исполнением, обеспечивающим возможные перемещения и не требует установки сложных передач для возможности регулировки положения, что упрощает подготовку к эксплуатации экзоскелета и повышает его технологичность.

Заявляемый экзоскелет в предпочтительном варианте включает резьбовой элемент для изменения и фиксации расстояния между верхней набедренной деталью и нижней набедренной деталью, что дополнительно повышает удобство регулирования расстояния между верхней и нижней набедренными деталями за счет возможности вращательного движения, и отсутствия необходимости использования сложных передач, дополнительно упрощая подготовку экзоскелета к эксплуатации, а также дополнительно повышает надежность фиксации за счет уменьшения вероятности ослабления соединения при направлении нагрузки вдоль оси резьбового элемента, так как наличие резьбы осложняет ослабление соединения при отсутствии вращательного движения. Соединение верхней набедренной детали и нижней набедренной детали друг с другом с возможностью изменения и фиксации расстояния между ними в предпочтительном варианте может быть реализовано путем выполнения в верхней и нижней набедренной детали цилиндрических пазов, в которых может быть установлена цилиндрическая трубка, соединяющая своими концами верхнюю и нижнюю набедренную детали. В частном варианте экзоскелет может включать два резьбовых элемента для изменения и фиксации расстояния между верхней и нижней набедренными деталями одной конечности, в частности винты или болты, один из которых соединяет один конец цилиндрической трубки с верхней набедренной деталью, а другой конец – с нижней набедренной деталью, с возможностью регулирования положения концов цилиндрической трубки в цилиндрических пазах верхней и нижней набедренных деталей. В частных вариантах цилиндрическая трубка может быть зафиксирована в цилиндрических пазах верхней и нижней набедренных деталей посредством болтов, установленных по оси цилиндрической трубки, что дополнительно упростит регулирование расстояния между верхней и нижней набедренным деталями, или перпендикулярно оси цилиндрической трубки, что дополнительно увеличит надежность соединения.

В предпочтительном варианте соединение верхней набедренной детали с нижней набедренной деталью с возможностью изменения и фиксации расстояния между ними может включать амортизирующий элемент, в частности, амортизатор, например, газовый, или упругую деталь, выполняющую амортизирующую функцию, в частности, за счет выполнения из упругого материала или особой геометрии, что дополнительно повышает эффективность, надежность и технологичность экзоскелета, за счет дополнительной возможности гашения колебаний, возникающих при ходьбе, беге, прыжках и других движениях пользователя, в бедренной части секции нижних конечностей, дополнительно снижая инерционное воздействие на нижние конечности пользователя, шаговый толчок и ударную нагрузку. Кроме того, такой предпочтительный вариант также дополнительно повышает массу возможной к перемещению полезной нагрузки в связи с дополнительным снижением колебаний при ее перемещении, а также дополнительно снижает колебательную нагрузку на детали секции нижних конечностей экзоскелета и узлы их соединения, что также дополнительно снижает риски их деформации и поломки.

Верхняя набедренная деталь предпочтительно включает проушины для соединительных элементов для крепления бедренной тканевой подкладки, что дополнительно повышает удобство использования экзоскелета, и как следствие его технологичность, а также плотность прилегания бедренной части к бедру пользователя, тем самым дополнительно повышая стабилизацию положения бедренной части относительно бедра пользователя, равномерно распределяя нагрузку, тем самым дополнительно повышая эффективность и надежность экзоскелета. Бедренная тканевая подкладка может включать ремни и иные элементы крепления. Верхняя набедренная деталь также, в частных случаях исполнения заявляемого экзоскелета, может включать дополнительные элементы для закрепления ремней бедренной тканевой подкладки.

В предпочтительном варианте экзоскелет включает болтовые соединения для фиксации соединительной детали секции тазобедренного сустава в пазу верхней набедренной детали и соединительной детали коленной части в пазу нижней набедренной детали, что дополнительно повышает износостойкость и надежность заявляемого решения за счет возможности жесткого и надежного закрепления двух деталей друг с другом, а также дополнительно повышает технологичность экзоскелета за счет возможности быстрого и легкого разъединения деталей и регулирования их положения относительно друг друга для другого пользователя, в отличие от использования заклепок, которые формируют неразъемное соединение, что дополнительно упрощает подготовку экзоскелета к эксплуатации и дополнительно повышает удобство его использования.

Коленная часть включает две детали, соединенные друг с другом, обеспечивающие возможность сгибания коленной части, одна из которых соединена с возможностью вращения с соединительной деталью коленной части, а другая соединена с возможностью вращения с соединительной деталью голенной части, что повышает эффективность заявляемого экзоскелета, а также его технологичность. Такое исполнение коленной части максимально повторяет биомеханику движений коленного сустава, позволяя голени принимать различные положения относительно бедра, что значительно повышает подвижность экзоскелета и удобство его использования. При таком исполнении пользователь без труда может совершать приседания, прыжки, бег, а также стоять на коленях или лежать. Кроме того, соединение одной детали коленной части с возможностью вращения с соединительной деталью коленной части, а другой детали коленной части с возможностью вращения с соединительной деталью голенной части, упрощает процесс надевания экзоскелета для пользователя за счет высокой подвижности деталей коленной части относительно бедренной и голенной частей и упрощает обеспечение прилегания коленной части к колену пользователя, что повышает удобство использования экзоскелета, упрощает процесс подготовки его к эксплуатации, тем самым повышая технологичность. Кроме того, заявляемые соединения не ограничивают возможные вращательные движения голени относительно бедра, тем самым повышая подвижность экзоскелета, и как следствие его эффективность.

Соединение двух деталей коленной части друг с другом предпочтительно включает подшипник, что дополнительно повышает подвижность заявляемого экзоскелета за счет дополнительного повышения степеней свободы движения этих деталей относительно друг друга с обеспечением возможности сгибания коленной части, тем самым дополнительно повышая эффективность экзоскелета. В предпочтительном варианте соединение одной детали коленной части с соединительной деталью коленной части и соединение другой детали коленной части с соединительной деталью голенной части включают цилиндрические шарниры, что дополнительно стабилизирует движение коленной части в определенных плоскостях без снижения ее подвижности, тем самым дополнительно снижая риски смещения вектора нагрузки, что может привести к деформации и повреждению коленной части, а также дополнительному снижению удобства использования, таким образом дополнительно повышается надежность и технологичность решения. В некоторых частных вариантах исполнения коленной части, две детали коленной части могут быть соединены друг с другом с обеспечением возможности сгибания коленной части посредством промежуточных деталей, при этом, такое соединение может включать подшипник. Также в частных вариантах эти промежуточные детали могут формировать цилиндрическое шарнирное соединение между одной деталью коленной части и соединительной деталью коленной части и между другой деталью коленной части и соединительной деталью голенной части. Кроме того, такие соединения могут включать дополнительные промежуточные детали.

Две детали коленной части предпочтительно выполнены в виде фигуры на основе треугольника, что дополнительно повышает их надежность, а также надежность всего экзоскелета в связи с снижением рисков деформации данных деталей при активных движениях пользователя за счет дополнительного повышения их жесткости и сопротивляемости различным нагрузкам в связи с выполнением в виде фигуры на основе треугольника. Под данной формулировкой следует понимать, что фигура на основе треугольника включает три стороны, расположенные в плоскостях, пересекающихся друг с другом с образованием треугольника.

Голенная часть включает верхнюю голенную деталь, содержащую паз, в котором установлена с возможностью перемещения и фиксации в нем соединительная деталь голенной части, что повышает эффективность и надежность заявляемого экзоскелета, а также его технологичность. Выполнение верхней голенной детали, содержащей паз, в котором установлена с возможностью перемещения и фиксации в нем соединительная деталь голенной части, позволяет соединить коленную часть секции нижних конечностей с голенной частью, а также за счет возможности перемещения и фиксации соединительной детали голенной части в пазу верхней голенной детали обеспечивает возможность регулировки положения деталей относительно друг друга и позволяет настроить секцию нижних конечностей экзоскелета под параметры конкретного пользователя, в частности под обхват голени, что обеспечивает плотное прилегание голенной части к голени пользователя, тем самым упрощая процесс подготовки экзоскелета к эксплуатации, повышая удобство его использования и как следствие технологичность. Такое исполнение голенной части, позволяющее настроить голенную часть секции нижних конечностей экзоскелета под параметры конкретного пользователя, в частности под обхват голени, повышает эффективность и надежность заявляемого решения за счет обеспечения стабильного положения секции нижних конечностей относительно пользователя, предотвращающего смещение вектора нагрузки, что может привести к деформации и повреждению деталей, а также потере устойчивости при перемещении больших грузов. При отсутствии возможности регулирования голенной части для достижения плотного прилегания ее к голени пользователя за счет возможности сгибания коленной части экзоскелета, а также соединения ее деталей с возможностью вращения, велика вероятность переноса основной части нагрузки на тело пользователя, а также повышения давления на подвижные узлы соединения деталей друг с другом, что может привести к повреждению соединения, снижая износостойкость, долговечность, и как следствие надежность решения, а также не позволит упростить для пользователя перемещение грузов, уменьшит массу возможной к перемещению полезной нагрузки, что также снизит эффективность заявляемого экзоскелета. Кроме того, при отсутствии возможности регулирования голенной части для достижения плотного прилегания ее к голени пользователя повышается трение между телом пользователя и деталями экзоскелета, что также уменьшает удобство его использования. Выполнение паза в верхней голенной детали для возможности перемещения и фиксации соединительной детали голенной части является наиболее простым исполнением, обеспечивающим возможное перемещение и не требует установки сложных передач для возможности регулировки положения, что упрощает подготовку к эксплуатации экзоскелета и повышает его технологичность.

В предпочтительном варианте верхняя голенная деталь включает проушины для соединительных элементов для крепления голенной тканевой подкладки, что дополнительно повышает удобство использования экзоскелета, а также плотность прилегания голенной части к голени пользователя, тем самым дополнительно повышая стабилизацию положения голенной части относительно голени пользователя, равномерно распределяя нагрузку, тем самым дополнительно повышая эффективность и надежность экзоскелета. Голенная тканевая подкладка может включать ремни и иные элементы крепления.

В предпочтительном варианте экзоскелет включает болтовые соединения для фиксации соединительной детали голенной части в пазу верхней голенной детали, что дополнительно повышает износостойкость и надежность заявляемого решения за счет возможности жесткого и надежного закрепления двух деталей друг с другом, а также дополнительно повышает технологичность экзоскелета за счет возможности быстрого и легкого разъединения деталей и регулирования их положения относительно друг друга для другого пользователя, в отличие от использования заклепок, которые формируют неразъемное соединение, что дополнительно упрощает подготовку экзоскелета к эксплуатации и дополнительно повышает удобство его использования.

Голенная часть включает верхнюю голенную деталь, соединенную посредством амортизатора с нижней голенной деталью, соединенной с элементом поддержки стопы, что обеспечивает заявляемое решение высокой надежностью, эффективностью, а также технологичностью. Соединение верхней голенной детали и нижней голенной детали посредством амортизатора позволяет поглощать колебания, возникающие при ходьбе, беге, прыжках и других движениях пользователя, тем самым увеличивая плавность движения экзоскелета, снижая инерционное воздействие на нижние конечности пользователя, шаговый толчок и ударную нагрузку, повышая удобство и безопасность использования экзоскелета. Кроме того, такое соединение посредством амортизатора повышает эффективность заявляемого экзоскелета за счет повышения массы возможной к перемещению полезной нагрузки в связи с уменьшением колебаний при ее перемещении. Кроме того, использование амортизатора также повышает долговечность и надежность экзоскелета, снижая колебательную нагрузку на детали секции нижних конечностей экзоскелета и узлы их соединения, что также снижает риски их деформации и поломки. При этом, наличие амортизатора в голенной части также является повторением анатомического строения нижних конечностей человека, которые также выполняют амортизирующую функцию, снижая шаговый толчок и ударную нагрузку на тело человека. Наличие амортизатора усиливает этот амортизирующий эффект, тем самым повышая эффективность, надежность и технологичность заявляемого решения. В предпочтительном варианте секция нижних конечностей выполнена так, что амортизатор, посредством которого верхняя голенная деталь соединена с нижней голенной деталью, расположен с внутренней стороны голени пользователя.

Амортизатор предпочтительно представляет собой газовый амортизатор, что дополнительно повышает долговечность заявляемого решения, и как следствие его надежность, так как газовые амортизаторы обладают повышенной долговечностью, в отличие от масляных, за счет меньшей чувствительности к перепадам температуры благодаря заполнению газом, что позволяет использовать экзоскелет при температурах выше и ниже нуля градусов по Цельсию. Кроме того, в качестве амортизатора в предпочтительном варианте может быть использована упругая деталь, выполняющая амортизирующую функцию, в частности, за счет выполнения из упругого материала или особой геометрии, что дополнительно упрощает конструкцию экзоскелета, его производство, и как следствие дополнительно повышает технологичность, а также надежность.

Соединение нижней голенной детали с элементом поддержки стопы позволяет передавать принимаемую нагрузку от нижней голенной детали на опорную поверхность, тем самым обеспечивая снижение нагрузки на тело человека, облегчение перемещения грузов и увеличение массы возможной к перемещению полезной нагрузки, что повышает эффективность заявляемого экзоскелета. Кроме того, элемент поддержки стопы также принимает на себя нагрузку от нижних конечностей пользователя за счет поддержки стопы и передает ее на опорную поверхность, что также повышает массу возможной к перемещению полезной нагрузки, и как следствие эффективность решения. В предпочтительном варианте элемент поддержки стопы включает верхнюю деталь элемента поддержки стопы, соединенную с использованием подшипникового соединения с нижней голенной деталью и соединенную с нижней деталью элемента поддержки стопы с использованием цилиндрического шарнира, выполненной с возможностью контактирования со стопой пользователя. Такая предпочтительная конструкция дополнительно повышает подвижность элемента поддержки стопы, и как следствие эффективность экзоскелета за счет повторения биомеханики движения голеностопного сустава, дополнительно повышая удобство использования экзоскелета. Соединение верхней детали элемента поддержки стопы с использованием подшипникового соединения с нижней голенной деталью, в частном варианте, позволяет сгибаться и разгибаться стопе пользователя без препятствий, дополнительно повышая подвижность решения. Соединение верхней детали элемента поддержки стопы с нижней деталью элемента поддержки стопы с использованием цилиндрического шарнира, в частном варианте, позволяет стопе пользователя совершать движения в стороны, что также дополнительно повышает подвижность устройства, и как следствие его эффективность. Возможность контактирования нижней детали элемента поддержки стопы со стопой пользователя может быть реализована посредством закрепления на детали мягкой амортизирующей подкладки для установки в обувь пользователя и непосредственного контактирования со стопой для дополнительного повышения амортизации и удобства использования экзоскелета. В предпочтительном варианте элемент поддержки стопы выполнен таким образом, что цилиндрический шарнир, соединяющий верхнюю и нижнюю детали элемента поддержки стопы, расположен у внутреннего продольного свода стопы пользователя.

В другом предпочтительном варианте, верхняя и нижняя детали элемента поддержки стопы могут быть жестко соединены, либо элемент поддержки стопы может быть выполнен в виде одной изогнутой детали, например, из упругого материала, что дополнительно повышает эффективность передачи вертикальной нагрузки от голенной части секции нижних конечностей на опорную поверхность.

В предпочтительном варианте амортизатор одним концом жестко соединен с верхней голенной деталью, что дополнительно повышает надежность решения, а также эффективность передачи нагрузки и колебаний на амортизатор. В частном варианте соединение другого конца амортизатора с нижней голенной деталью может быть выполнено с возможностью регулировки положения деталей относительно друг друга, в частности с использованием фиксатора, что позволяет дополнительно подстроить длину голенной части под конкретного человека, что дополнительно повышает технологичность и эффективность заявляемого решения.

Нижняя голенная деталь предпочтительно включает проушины для соединительных элементов для крепления дополнительной голенной тканевой подкладки, что дополнительно повышает удобство использования экзоскелета, а также плотность прилегания голенной части к голени пользователя, тем самым дополнительно повышая стабилизацию положения голенной части относительно голени пользователя, равномерно распределяя нагрузку, тем самым дополнительно повышая эффективность и надежность экзоскелета. Дополнительная голенная тканевая подкладка может включать ремни и иные элементы крепления.

В предпочтительном варианте секция тазобедренного сустава включает поясничную часть, соединяющую секцию туловища с поясной частью, включающей поясные крепления, установленные с возможностью перемещения вдоль поясной части, каждое из которых шарнирно соединено с соединительной деталью поясной части соответствующей конечности, соединенной с соединительной деталью секции тазобедренного сустава соответствующей конечности. Такая предпочтительная конструкция секции тазобедренного сустава повторяет биомеханику человеческого тела, в частности тазобедренного сустава, дополнительно повышая подвижность экзоскелета, и как следствие его эффективность. Предпочтительное наличие поясничной части формирует соединение секции туловища с поясной частью секции тазобедренного сустава для передачи нагрузки с секции туловища. Наличие поясных креплений, установленных с возможностью перемещения вдоль поясной части, в частном варианте, позволяет пользователю совершать вращения туловища, что дополнительно повышает подвижность заявляемого решения и удобство его использования. Шарнирное соединение каждого поясного крепления с соединительной деталью поясной части соответствующей конечности, в частном варианте, повторяет строение тазобедренного сустава человека и позволяет совершать различные движения бедром в тазобедренном суставе, что также дополнительно повышает подвижность заявляемого экзоскелета, и как следствие его эффективность. Такое предпочтительное шарнирное соединение может представлять собой шаровой шарнир, дополнительно повышающий подвижность экзоскелета, или цилиндрический шарнир, дополнительно упрощающий изготовление секции тазобедренного сустава, дополнительно повышая технологичность экзоскелета. Соединение соединительной детали поясной части соответствующей конечности с соединительной деталью секции тазобедренного сустава соответствующей конечности, в частном варианте, обеспечивает передачу нагрузки с секции тазобедренного сустава на секцию нижних конечностей через соединительную деталь тазобедренного сустава. В предпочтительных вариантах секция тазобедренного сустава включает тканевую подкладку, расположенную на поясничной и поясной частях.

Указанные предпочтительные варианты исполнения секций экзоскелета и отдельных его узлов и элементов характеризуют решение усилением заявленных технических эффектов, однако, являясь предпочтительными вариантами его исполнений не ограничивают и другие возможные варианты реализаций.

Далее заявляемое техническое решение поясняется с помощью фигур, на которых условно представлен один из предпочтительных вариантов исполнения заявляемого решения.

На фиг. 1 представлен общий вид экзоскелета.

На фиг. 2 представлен общий вид секции нижних конечностей сбоку и фрагмент секции тазобедренного сустава.

На фиг. 3, 4 представлены общие виды секции тазобедренного сустава и секции нижних конечностей с разных сторон, а также фрагмент секции туловища.

Цифрами на фигурах обозначены:

- секция туловища (1);

- секция тазобедренного сустава (2);

- секция нижних конечностей (3);

- бедренная часть (4);

- коленная часть (5);

- голенная часть (6);

- верхняя набедренная деталь (7);

- соединительная деталь (8) секции тазобедренного сустава (2);

- нижняя набедренная деталь (9);

- соединительная деталь (10) коленной части (5);

- цилиндрическая трубка (11);

- резьбовые элементы (12);

- проушины (13) верхней набедренной детали (7);

- бедренная тканевая подкладка (14);

- ремни (15) бедренной тканевой подкладки (14);

- дополнительный элемент (16) для закрепления ремней (15) бедренной тканевой подкладки (14).

- болтовые соединения (17);

- одна деталь (18) коленной части (5);

- другая деталь (19) коленной части (5);

- соединительная деталь (20) голенной части (6);

- цилиндрические шарниры (21);

- промежуточные детали (22) коленной части (5);

- подшипник (23) коленной части (5);

- дополнительная промежуточная деталь (24) коленной части (5);

- верхняя голенная деталь (25);

- паз (26) верхней голенной детали (25);

- амортизатор (27);

- нижняя голенная деталь (28);

- элемент поддержки стопы (29);

- проушины (30) верхней голенной детали (25);

- голенная тканевая подкладка (31);

- верхняя деталь (32) элемента поддержки стопы (29);

- подшипник (33), соединяющий нижнюю голенную деталь (28) и верхнюю деталь (32) элемента поддержки стопы (28);

- нижняя деталь (34) элемента поддержки стопы (29);

- цилиндрический шарнир (35) элемента поддержки стопы (29);

- амортизирующая подкладка (36);

- фиксатор (37) амортизатора (27);

- проушины (38) нижней голенной детали (34);

- дополнительная голенная тканевая подкладка (39);

- ремни (40) дополнительной голенной тканевой подкладки (39);

- поясная часть (41);

- поясные крепления (42);

- шаровой шарнир (43);

- соединительная деталь (44) поясной части (41);

- тканевая подкладка (45) секции тазобедренного сустава (2).

Далее со ссылками на фигуры описан один из предпочтительных вариантов исполнения заявляемого технического решения.

Экзоскелет, включающий секцию туловища (1), соединенную посредством секции тазобедренного сустава (2) с секцией нижних конечностей (3), при этом секция нижних конечностей (3) включает бедренную часть (4), соединенную с коленной частью (5), соединенной с голенной частью (6).

Бедренная часть (4) включает верхнюю набедренную деталь (7), содержащую паз, в котором установлена с возможностью перемещения и фиксации в нем соединительная деталь (8) секции тазобедренного сустава (2), нижнюю набедренную деталь (9), содержащую паз, в котором установлена с возможностью перемещения и фиксации в нем соединительная деталь (10) коленной части (5), соединенные друг с другом с возможностью изменения и фиксации расстояния между ними.

Соединение верхней набедренной детали (7) и нижней набедренной детали (9) друг с другом с возможностью изменения и фиксации расстояния между ними в предпочтительном варианте может быть реализовано путем выполнения в верхней (7) и нижней (9) набедренной детали цилиндрических пазов, в которых может быть установлена цилиндрическая трубка (11), соединяющая своими концами верхнюю (7) и нижнюю (9) набедренную детали. В частном варианте экзоскелет включает резьбовые элементы (12) для изменения и фиксации расстояния между верхней (7) и нижней (9) набедренными деталями, в частности винты, соединяющие цилиндрическую трубку (11) концами с верхней (7) и нижней (9) набедренных деталей.

Верхняя набедренная деталь (7) предпочтительно включает проушины (13) для соединительных элементов для крепления бедренной тканевой подкладки (14), которая может включать ремни (15) и иные элементы крепления. Верхняя набедренная деталь (7) также, в частных случаях исполнения заявляемого экзоскелета, может включать дополнительные элементы (16) для закрепления ремней (15) бедренной тканевой подкладки (14).

Экзоскелет предпочтительно включает болтовые соединения (17) для фиксации соединительной детали (8) секции тазобедренного сустава (2) в пазу верхней набедренной детали (7) и соединительной детали (10) коленной части (5) в пазу нижней набедренной детали (9).

Коленная часть (5) включает две детали (18, 19), соединенные друг с другом, предпочтительно выполненные в виде фигуры на основе треугольника, обеспечивающие возможность сгибания коленной части (5). Одна деталь (18) коленной части (5) соединена с возможностью вращения с соединительной деталью (10) коленной части (5), а другая (19) соединена с возможностью вращения с соединительной деталью (20) голенной части (6). Соединение одной детали (18) коленной части (5) с соединительной деталью (10) коленной части (5) и соединение другой детали (19) коленной части (5) с соединительной деталью (20) голенной части (6) могут включать цилиндрические шарниры (21). В некоторых частных вариантах исполнения коленной части (5), две детали (18, 19) коленной части (5) могут быть соединены друг с другом с обеспечением возможности сгибания коленной части (5) посредством промежуточных деталей (22), при этом, такое соединение может включать подшипник (23). Также в частных вариантах эти промежуточные детали (22) могут формировать цилиндрический шарнир (21) между одной деталью (18) коленной части (5) и соединительной деталью (10) коленной части (5) и между другой деталью (19) коленной части (5) и соединительной деталью (20) голенной части (6). Кроме того, между промежуточной деталью (22) и соединительной деталью (20) голенной части (6) может быть расположена дополнительная промежуточная деталь (24), также формирующая цилиндрический шарнир (21).

Голенная часть (6) включает верхнюю голенную деталь (25), содержащую паз (26), в котором установлена с возможностью перемещения и фиксации в нем соединительная деталь (20) голенной части (6), соединенную посредством амортизатора (27), предпочтительно газового, с нижней голенной деталью (28), соединенной с элементом поддержки стопы (29). Верхняя голенная деталь (25) предпочтительно включает проушины (30) для соединительных элементов для крепления голенной тканевой подкладки (31). Экзоскелет предпочтительно включает болтовые соединения (17) для фиксации соединительной детали (20) голенной части (6) в пазу (26) верхней голенной детали (25).

Частный вариант исполнения заявляемого экзоскелета включает выполнение элемента поддержки стопы (29), включающего верхнюю деталь (32) элемента поддержки стопы (29), соединенную с использованием подшипника (33) с нижней голенной деталью (28) и соединенную с нижней деталью (34) элемента поддержки стопы (29) с использованием цилиндрического шарнира (35), выполненной с возможностью контактирования со стопой пользователя предпочтительно посредством мягкой амортизирующей подкладки (36). Амортизатор (27) одним концом предпочтительно жестко соединен с верхней голенной деталью (25), а другим концом с нижней голенной деталью (28) с использованием фиксатора (37) с возможностью регулировки положения деталей относительно друг друга. Нижняя голенная деталь (28) может включать проушины (38) для соединительных элементов для крепления дополнительной голенной тканевой подкладки (39), которая может включать ремни (40) и иные элементы крепления.

Секция тазобедренного сустава (2) предпочтительно включает поясничную часть, соединяющую секцию туловища (1) с поясной частью (41), включающей поясные крепления (42), установленные с возможностью перемещения вдоль поясной части (41), каждое из которых шарнирно соединено (предпочтительно с использованием шарового шарнира (43)) с соединительной деталью (44) поясной части (41) соответствующей конечности, соединенной с соединительной деталью (8) секции тазобедренного сустава (2) соответствующей конечности. В предпочтительных вариантах секция тазобедренного сустава (2) включает тканевую подкладку (45), расположенную на поясничной и поясной (41) частях.

Предпочтительный вариант эксплуатации заявляемого решения продемонстрирован далее на примере.

Нагрузка от груза, переносимого пользователем, располагающаяся в секции туловища (1), в частности на соединенной с ней секцией плечевого пояса, направляется вдоль секции туловища (1) вниз к секции тазобедренного сустава (2). Секция тазобедренного сустава (2) направляет нагрузку на секцию нижних конечностей (3) (на каждую конечность) вниз по бедренной части (4) через коленную часть (5) на голенную часть (6) и элемент поддержки стопы (29) для передачи нагрузки на опорную поверхность. Таким образом, когда на пользователе закреплен заявляемый экзоскелет, при движениях, совершаемых пользователем, например, ходьбе, беге, стоянии на коленях и т.д., данный экзоскелет берет, по меньшей мере, часть нагрузки, которая приложена к телу пользователя, снимает ее с тела и перенаправляет к опорной поверхности под стопами пользователя.

При подготовке экзоскелета к эксплуатации, в частности закреплении его на теле пользователя, пользователь может регулировать положение соединительной детали (8) тазобедренного сустава (2) в пазу верхней набедренной детали (7) и положение соединительной детали (10) коленной части (5) в пазу нижней набедренной детали (9) для обеспечения плотного прилегания бедренной части (4) секции нижних конечностей (3) экзоскелета к бедру, а также изменять расстояние между верхней (7) и нижней (9) набедренными деталями для регулирования бедренной части (4) в соответствии с длиной бедра пользователя. Плотное прилегание бедренной части (4) позволяет при активных движениях сохранять стабильное положение экзоскелета, равномерно передавать нагрузку от секции тазобедренного сустава (2) на коленную часть (5), тем самым повышая удобство использования экзоскелета и, за счет простоты регулировки, упрощая его подготовку к эксплуатации.

Соединение двух деталей (18, 19) коленной части (5) друг с другом обеспечивает сгибание коленной части (5) и высокую подвижность экзоскелета, в частности за счет наличия подшипников (23) в соединении, при этом соединение одной детали (18) коленной части (5) с возможностью вращения с соединительной деталью (10) коленной части (5) и другой детали (19) коленной части (5) с возможностью вращения с соединительной деталью (20) голенной части (6) повышает удобство и упрощает процесс надевания экзоскелета, тем самым обеспечивается высокая технологичность решения. Кроме того, такие соединения также не ограничивают различные движения голени пользователя относительно бедра, например, при разворотах, наклонах, приседаниях и т.д., что также повышает подвижность экзоскелета.

Также пользователь может регулировать положение соединительной детали (20) голенной части (6) в пазу (26) верхней голенной детали (25) для обеспечения плотного прилегания голенной части (6) секции нижних конечностей (3) экзоскелета к голени, что при активных движениях позволяет сохранять стабильное положение экзоскелета, равномерно передавать нагрузку на опорную поверхность, тем самым повышая удобство использования экзоскелета и, за счет простоты регулировки, упрощая его подготовку к эксплуатации.

Амортизатор (27), предпочтительно газовый, поглощает колебания, возникающие при ходьбе, беге, прыжках и других движениях пользователя, тем самым увеличивая плавность движения экзоскелета, снижая инерционное воздействие на нижние конечности пользователя, шаговый толчок и ударную нагрузку, повышая удобство и безопасность использования экзоскелета. Кроме того, амортизатор (27) снижает колебательную нагрузку на детали секции нижних конечностей (3) экзоскелета, что также снижает риски их деформации и поломки.

Элемент поддержки стопы (29), соединенный с нижней голенной деталью (28), передает нагрузку на опорную поверхность, тем самым облегчая процесс переноса массы полезной нагрузки для пользователя, и в предпочтительном варианте устанавливается в обувь пользователя.

Заявляемое техническое решение может применяться для помощи пользователю в перемещении грузов и характеризуется повышенной эффективностью, надежностью и технологичностью.

Представленные фигуры, описание конструкции и использования экзоскелета не исчерпывают возможные варианты исполнения и не ограничивают каким-либо образом объем заявляемого технического решения. Возможны иные варианты исполнения в объеме заявляемой формулы.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к экзоскелету, включающему секцию туловища, соединенную с секцией нижних конечностей посредством секции тазобедренного сустава. Секция нижних конечностей включает бедренную часть, соединенную с коленной частью, соединенной с голенной частью. Бедренная часть включает верхнюю набедренную деталь, содержащую паз, в котором установлена с возможностью перемещения и фиксации в нем соединительная деталь секции тазобедренного сустава, нижнюю набедренную деталь, содержащую паз, в котором установлена с возможностью перемещения и фиксации в нем соединительная деталь коленной части, соединенные друг с другом с возможностью изменения и фиксации расстояния между ними. Коленная часть включает две детали, соединенные друг с другом, обеспечивающие возможность сгибания коленной части, одна из которых соединена с возможностью вращения с соединительной деталью коленной части, а другая соединена с возможностью вращения с соединительной деталью голенной части. Голенная часть включает верхнюю голенную деталь, содержащую паз, в котором установлена с возможностью перемещения и фиксации в нем соединительная деталь голенной части, соединенную посредством амортизатора с нижней голенной деталью, соединенной с элементом поддержки стопы. Секция тазобедренного сустава включает поясничную часть, соединяющую секцию туловища с поясной частью, включающей поясные крепления, установленные с возможностью перемещения вдоль поясной части, каждое из которых шарнирно соединено с соединительной деталью поясной части конечности, соединенной с соединительной деталью секции тазобедренного сустава конечности. Секция туловища содержит два позвоночных столба, каждый из которых включает гибкий стержень, на котором установлены с чередованием позвонки и межпозвонковые проставки, и выполнена с возможностью соединения с секцией плечевого пояса, которая выполнена в виде жесткого каркаса, включающего левый и правый плечевые держатели. Технический результат заключается в повышении эффективности, надежности и технологичности экзоскелета. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Экзоскелет, включающий секцию туловища, соединенную с секцией нижних конечностей посредством секции тазобедренного сустава, при этом секция нижних конечностей включает бедренную часть, соединенную с коленной частью, соединенной с голенной частью, при этом бедренная часть включает верхнюю набедренную деталь, содержащую паз, в котором установлена с возможностью перемещения и фиксации в нем соединительная деталь секции тазобедренного сустава, нижнюю набедренную деталь, содержащую паз, в котором установлена с возможностью перемещения и фиксации в нем соединительная деталь коленной части, соединенные друг с другом с возможностью изменения и фиксации расстояния между ними, при этом коленная часть включает две детали, соединенные друг с другом, обеспечивающие возможность сгибания коленной части, одна из которых соединена с возможностью вращения с соединительной деталью коленной части, а другая соединена с возможностью вращения с соединительной деталью голенной части, при этом голенная часть включает верхнюю голенную деталь, содержащую паз, в котором установлена с возможностью перемещения и фиксации в нем соединительная деталь голенной части, соединенную посредством амортизатора с нижней голенной деталью, соединенной с элементом поддержки стопы, причем секция тазобедренного сустава включает поясничную часть, соединяющую секцию туловища с поясной частью, включающей поясные крепления, установленные с возможностью перемещения вдоль поясной части, каждое из которых шарнирно соединено с соединительной деталью поясной части конечности, соединенной с соединительной деталью секции тазобедренного сустава конечности, а секция туловища содержит два позвоночных столба, каждый из которых включает гибкий стержень, на котором установлены с чередованием позвонки и межпозвонковые проставки, и выполнена с возможностью соединения с секцией плечевого пояса, которая выполнена в виде жесткого каркаса, включающего левый и правый плечевые держатели.

2. Экзоскелет по п. 1, отличающийся тем, что верхняя набедренная деталь включает проушины для соединительных элементов для крепления бедренной тканевой подкладки и верхняя голенная деталь включает проушины для соединительных элементов для крепления голенной тканевой подкладки.

3. Экзоскелет по п. 1, отличающийся тем, что включает болтовые соединения для фиксации соединительной детали секции тазобедренного сустава в пазу верхней набедренной детали, соединительной детали коленной части в пазу нижней набедренной детали и соединительной детали голенной части в пазу верхней голенной детали.

4. Экзоскелет по п. 1, отличающийся тем, что включает резьбовой элемент для изменения и фиксации расстояния между верхней набедренной деталью и нижней набедренной деталью.

5. Экзоскелет по п. 1, отличающийся тем, что две детали коленной части выполнены в виде фигуры на основе треугольника.

6. Экзоскелет по п. 1, отличающийся тем, что соединение одной детали коленной части с соединительной деталью коленной части и соединение другой детали коленной части с соединительной деталью голенной части включают цилиндрические шарниры.

7. Экзоскелет по п. 1, отличающийся тем, что соединение двух деталей коленной части друг с другом включает подшипник.

8. Экзоскелет по п. 1, отличающийся тем, что амортизатор представляет собой газовый амортизатор.

9. Экзоскелет по п. 1, отличающийся тем, что элемент поддержки стопы включает верхнюю деталь элемента поддержки стопы, соединенную с использованием подшипникового соединения с нижней голенной деталью и соединенную с нижней деталью элемента поддержки стопы с использованием цилиндрического шарнира, выполненной с возможностью контактирования со стопой пользователя.

10. Экзоскелет по п. 1, отличающийся тем, что нижняя голенная деталь включает проушины для соединительных элементов для крепления голенной тканевой подкладки.