Экзоскелетное устройство для реабилитации рук

Полезная модель относится к медицине, а именно к физиотерапии, и может быть использована при восстановительных процедурах мышечной активности руки человека.
Известен экзоскелет плечевых суставов, состоящий из двух раскрывающихся рукавов для проксимального сегмента верхней конечности человека, П-образного основания, имеющего по центру спереди и сверху вырез для головы, электронного блока, снабженного системой индикации и кнопками для задания требуемых режимов реабилитации левого и правого плечевых суставов, причем электронный блок управляет реверсивными электромеханическими сервоприводами вращательного движения, а каждый из сервоприводов снабжен датчиком угла поворота выходного вала (RU 155011 (А1), Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ), Безмен П.А., Яцун С.Ф. Яцун А.С., 20.09.2015). При этом датчики углов поворота информационно связаны с электронным блоком. Сервоприводы для ротации жестко и симметрично закреплены на верхней части основания по обе стороны относительно выреза для головы. Раскрывающиеся рукава фиксируются на верхних конечностях человека, используя механизмы фиксации, и жестко соединены с выходными валами сервоприводов отведения/приведения левого и правого плечевого сустава посредством кронштейнов.
Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности. Это обусловлено тем, что через устройство выполняется нагружение плечевых суставов только по двум из трех возможных движений. Кроме того, устройство не обеспечивает нагружение локтевого сустава. Это исключает возможность проведения комплексных упражнений с одновременным нагружением мышц руки пациента, плеча и предплечья.
Наиболее близким аналогом к патентуемой полезной модели является экзоскелетное устройство для реабилитации рук, включающий два рычажных механизма, расположенных зеркально, каждый из которых через последовательно соединенные шарниры связан со стойкой, при этом оси первого, второго и третьего шарниров ориентированы на центр сустава плеча, третий шарнир соединен со вторым, и, кроме того, с первым выходным звеном рычажного механизма, четвертый шарнир соединен с первым, а его ось параллельна оси позвоночника, первое выходное звено рычажного механизма соединено с плечом через поддерживающий элемент и со вторым выходным звеном через шарнир, ось которого соосна оси локтевого сустава, все шарниры оснащены активными приводами (US 20160206497 A1 Ashish Warren Deshpande, Bongsu Kim, 21.07.2016). При этом по крайней мере один из шарниров соединен с приводом через исполнительный механизм, обеспечивающий редуцирование и расположенный параллельно силовой части привода. Выходное звено экзоскелетного устройства захватывается кистью пациента.
Недостатком известного решения является сложность конструкции и ограниченные функциональные возможности.
Обеспечение движения по степеням свободы реализуется через систему, включающую механизм редуцирования, установленный параллельно силовой части привода. Как следствие, увеличиваются общие габариты, возрастает число кинематических соединений, требующих регулировки и обеспечения точного расположения. Реализация последнего аспекта возможна только за счет повышения жесткости, т.е. за счет увеличения массы.
Ограничение функциональных возможностей обусловлено тем, что экзоскелетное устройство для реабилитации рук не выполняет нагружения группы мышц, обеспечивающих вращательные движения предплечья. Кроме того, функционирование возможно только при активном захвате кистью пациента выходного звена экзоскелетнего устройства. В случае отсутствия или ослабления двигательной активности кисти исключается возможность использования устройства.
Проблема, на решение которой направлена полезная модель, состоит в расширении функциональных возможностей.
Техническая задача решается тем, что в экзоскелетном устройстве для реабилитации рук, включающем два идентичных рычажных механизма, расположенных зеркально, каждый из которых через последовательно соединенные шарниры связан через траверсу со стойкой. Оси первого и второго шарниров выполнены с возможностью ориентации на центр сустава плеча, третий шарнир соединен со вторым, и, кроме того, с первым выходным звеном рычажного механизма, четвертый шарнир соединен с первым, первое выходное звено рычажного механизма выполнено с возможностью соединения с плечом через поддерживающий элемент и со вторым выходным звеном через шарнир, положение оси которого выполнено с возможностью соосного расположения относительно оси локтевого сустава, все шарниры оснащены активными приводами. Активные приводы установлены соосно осям шарниров, ось третьего шарнира соосна оси первого выходного звена, а оси первого и второго шарниров расположены в диапазоне углов 85-95°.
Кроме того, второе выходное звено соединено с предплечьем через поддерживающий элемент, а само второе выходное звено выполнено в виде кинематической цепи из звеньев, соединенных шарниром, ось которого соосна оси звеньев. При этом шарнир кинематической цепи оснащен приводом.
Стойка экзоскелетного устройства для реабилитации рук выполнена в виде поступательной пары, ползун которой соединен с траверсой и оснащен устройством фиксации с направляющей.
Траверса может быть оснащена поддерживающим элементом, установленным с возможностью взаимодействия с корпусом пациента, ось четвертого шарнира может быть выполнена параллельной этому поддерживающему элементу, а траверса оснащена устройством регулирования длины.
Технический результат - расширение функциональных возможностей в части тренировки сгибательных и разгибательных групп мышц рук при их различной пространственной ориентации.
Полезная модель поясняется изображениями, где:
- фиг. 1 - конструктивное изображение экзоскелетного устройства для реабилитации рук;
- фиг. 2 - кинематическая схема экзоскелетного устройства для реабилитации рук.
Экзоскелетное устройство для реабилитации рук включает два идентичных рычажных механизма 1 и 2, расположенных зеркально (фиг. 1). Рычажные механизмы 1 и 2 соединены с траверсой 3. В силу идентичности рычажных механизмов дальнейшее описание выполняется для рычажного механизма 1. Наличие двух рычажных механизмов 1 и 2 позволяет выполнять упражнения пациентом двух рук одновременно.
Траверса 3 соединена со стойкой 4 через поступательную пару 5 (жестко соединена с ползуном), оснащенную устройством фиксации положения траверсы на стойке 6 (фиг. 2). Наличие поступательной пары 5 позволяет адаптировать положение траверсы 3 под рост пациента. Траверса 3 оснащена поддерживающим элементом 7 для фиксации положения корпуса пациента.
Рычажный механизм 1 имеет два выходных звена: первое - 8, и второе - 9. Первое выходное звено 8 соединено с траверсой 3 через последовательно соединенные шарниры: первым - 10, вторым - 11, третьим - 12, четвертым - 13.
Третий шарнир 12 соединен со вторым шарниром 11, и, кроме того, с первым выходным звеном 8.
Четвертый шарнир 13 соединен с первым шарниром 10 и траверсой 3. Ось 14 четвертого шарнира 13 параллельна поддерживающему элементу 7.
Ось 15 первого - 10 и ось 16 второго - 11 шарниров ориентированы на центр сустава плеча 17 и расположены под углом ϕ равным 85-95°. Принятое значение угла ϕ обеспечивает максимально возможное разведение осей шарниров и конструктивных элементов, их реализующих.
Ось 18 третьего шарнира 12 соосна продольной оси первого выходного звена 8.
Первое выходное звено 8 соединено с плечом 17 через поддерживающий элемент 19 и со вторым выходным звеном 9 через шарнир 20, ось которого 21 соосна оси локтевого сустава 22. Соединение выходного звена 8 с плечом 17 через поддерживающий элемент 19 обеспечивает их синхронное движение благодаря наличию шарниров 10, 11, 12. При этом их пространственная ориентация обеспечивает свободное движение в плечевом суставе вокруг трех пространственных осей.
Второе выходное звено 9 выполнено в виде кинематической цепи 23, включающей шарнир 24, ось которого соосна оси звена 9. При этом звено 9 соединено с предплечьем 25 поддерживающим элементом 26.
Все шарниры оснащены соосно расположенными относительно выходных валов активными приводами. Соответственно, ось привода 27 соосна оси шарнира 10, ось привода 28 соосна оси шарнира 11, ось привода 29 соосна оси шарнира 12, ось привода 30 соосна оси шарнира 13, ось привода 31 соосна оси шарнира 20, ось привода 32 соосна оси шарнира 24.
Соосное расположение приводов 27-32 относительно приводимых в движение выходных звеньев обеспечивает компактное расположение приводов и снижает габариты экзоскелетного устройства для реабилитации рук. Кроме того, расположение оси 15 относительно оси 16 под углом ϕ в диапазоне 85-95° обеспечивает свободное и компактное расположение приводов 27 и 28. Это в свою очередь не ограничивает углы поворота в шарнирах 10-12 и позволяет выполнять упражнения с предельными углами поворота в плечевом суставе. Увеличение амплитуды движений в плечевом суставе расширяет параметры упражнений выбираемых врачом для реабилитации рук пациента.
Траверса 3 оснащена устройством регулирования длины 33, позволяющим предварительно настраивать ее так, чтобы оси 15 рычажных механизмов 1 и 2 были ориентированы на соответствующие центры суставов плеч.
Экзоскелетное устройства для реабилитации рук работает следующим образом.
Посредством устройства регулирования длины 33 производится выбор расстояния между осями 15 рычажных механизмов 1 и 2, обеспечивающего их ориентацию на центры суставов плеч.
Пациент размещается в кресле (на фигуре условно не показано) или занимает положение стоя. Траверса 3 перемещается посредством поступательной пары 5 по стойке 4 до тех пор, пока поддерживающий элемент 7 не достигнет контакта с корпусом пациента. После этого движение в поступательной паре блокируется за счет устройства фиксации 6. При этом наличие поддерживающего элемента 7, взаимодействующего с корпусом пациента, обеспечивает неизменное положение траверсы 3 относительно пациента и ориентацию осей 15 и 16 на центр сустава плеча в процессе выполнения упражнений.
Поддерживающий элемент 19 закрепляется на плече пациента. Это позволяет организовать связь плеча с первым выходным звеном 8. Как следствие, движение первого выходного звена 8 вокруг осей 15, 16, 18 вызывает движение в плечевом суставе вокруг трех его степеней свободы.
Поддерживающий элемент 26 закрепляется на предплечье пациента. За счет этого обеспечивается его связь со вторым выходным звеном 9 и передача движений со второго выходного звена 9 на предплечье пациента.
Экзоскелетное устройство для реабилитации рук готово к выполнению тренировочных упражнений.
Работа устройства
Устройство для реабилитации рук позволяет выполнять тренировки групп мышц, реализующих движение в плечевом, локтевом суставе по пяти возможным движениям каждой руки пациента.
Тренировка групп мышц, реализующих движение в плечевом суставе.
По программе лечения, выбранной врачом, осуществляется включение приводов 27-30. При этом обеспечивается поворот первого выходного звена 8 вокруг трех осей соответственно 14, 15, 16, 18. Поворот вокруг оси 14 позволяет нагружать мышцы осуществляющие сведение плеч в плоскости перпендикулярной корпусу пациента.
Расположение оси 15 относительно оси 16 под углом ϕ в диапазоне 85-95° не ограничивает естественные углы поворота плеча в плечевом суставе в силу компактности приводов. Это позволяет формировать упражнения для рук с использованием полной амплитуды движений. Обеспечивается большая функциональность экзоскелетного устройства.
Кроме того, принятый угол ϕ позволяет программировать повороты в плечевом суставе без предварительного пересчета. Т.к. в этом случае углы поворота соответствуют движениям в вертикальной плоскости - шарнир 10 и горизонтальной - 11. Управление движением двигателей определяется по программе лечения, выбранной лечащим врачом без предварительного пересчета углов поворота от естественных движений в плечевом суставе в соответствующие углы поворота приводов, что имеет место в прототипе.
Соосное расположение оси 18 (шарнир 12) оси первого выходного звена 8 позволяет реализовывать упражнение «ротация плеча» только за счет включения привода 29. Упрощается процедура формирования упражнений, т.к. в этом случае на движение «ротация» не влияет работа приводов 27 и 28.
Тренировка групп мышц, реализующих движения в локтевом суставе.
При включении привода 32 происходит поворот в кинематической цепи 23 - движение в шарнире 24. Реализуется вращение предплечья 25 вокруг его продольной оси. Это обеспечивается благодаря тому, что второе выходное звено 9 выполнено в виде кинематической цепи 23 включающей шарнир 24. Движение в нем через поддерживающий элемент 26 передается предплечью 25.
Включение привода 31 позволяет выполнять движение в локтевом суставе пациента.
Таким образом, обеспечиваются два возможных движения предплечья 25, что позволяет выполнять движения всех сгибательных и разгибательных мышц. Обеспечивается тренировка мышц локтевого сустава в полном объеме.
В совокупности с одновременной тренировкой мышц, реализующих движение в плечевом суставе, заявляемое устройство для реабилитации рук обеспечивает расширение функциональных возможностей.