ГРУЗОВОЙ ЭКЗОСКЕЛЕТ, СПИННОЙ КАРДАННЫЙ УЗЕЛ И КОЛЬЦЕВОЙ КАРДАН ГРУЗОВОГО ЭКЗОСКЕЛЕТА
CARGO EXOSKELETON, BACK CARDAN ASSEMBLY AND ANNULAR CARDAN OF CARGO EXOSKELETON

Изобретение относится к области удовлетворения жизненных потребностей человека и может быть использовано в туризме, спорте, при проведении спасательных и армейских операций.
Заявляемая конструкция, прежде всего, предназначена для снятия нагрузки с мышц и скелета человека при переноске тяжестей. Экзоскелет, принимая на себя вертикальную составляющую веса груза, разгружает позвоночник, суставы и ноги человека при ходьбе, поэтому устройство также может использоваться и в медицинской технике, в частности в травматологии и ортопедии.
Известно большое количество технических решений экзо- или «внешних» скелетов, реализующих идею разгрузки, состоящих из каркаса с элементами крепления к туловищу, двух пар рычагов, шарнирно соединенных между собой, которые выполняют функции бедра и голеностопа, а также с каркасом и опорой стопы. Указанные устройства приводятся в движение под действием мышц, поэтому относятся к пассивным конструкциям.
Известен экзоскелетон по патенту РФ 2110243 (A61H 3/00, публ. 10.05.1998). Устройство содержит каркас в виде опорных платформ, располагаемых внутри обуви, элементы крепления к конечностям, тазобедренные и голеностопные рычаги с осями, тазобедренный шарнирный узел, соединенный со спинкой, состоящей из набора пластин и накладок. Недостатками известного решения являются: узкая специализация устройства - помощь инвалидам (дополнительные детали, заменяющие стул), недостаточная подвижность корпуса, нет возможности поворачивать ногу вокруг вертикальной оси, у голеностопа только одна степень свободы (по пересеченной местности идти не получится), снимать и одевать устройство можно только целиком (включая обувь).
Известен экзоскелетон по патенту РФ №2493805 (публ. 27.09.2013), содержащий опорные стойки и башмаки, который включает траверсу с шарниром на ее центральной части, в котором вращается вал, при этом на концах траверсы установлены шарниры и упорные подшипники, в которых вращаются опорные стойки. Причем экзоскелетон вмонтирован в одетый на человека комбинезон, с помощью которого траверса закреплена на тазобедренной части, ноги соединены с башмаками, а вал снабжен рычагами, которые связаны с мышечной системой туловища и плеч, являющейся приводом вала. Недостатками известного решения являются то, что элементы устройства вмонтированы в комбинезон, при этом опорные стойки размещены по бокам, что позволяет снимать и одевать устройство только целиком, что ухудшает его эргономику.
Известен экзоскелетон по заявке США US 2014100493, который включает мягкие ремни типа "рюкзака", который преимущественно взаимодействует с талией, спиной и плечами пользователя. Шасси обеспечивает монтаж двух принудительных приводов ног. Каждая нога экзоскелета выполняет функции, аналогичные движению человеческой ноги, в том числе тазобедренного сустава, бедра, коленного сустава, икры, и крепится манжетами к ноге пользователя в области бедра, голени, а под подошвой ноги пользователя расположена пластина. Силовые приводы представлены в тазобедренных и коленных суставах экзоскелета, и, возможно, в других местах. Однако данная конструкция предполагает использование силовых приводов, что усложняет конструкцию и удорожает использование, при этом: у конструкции более крупные габариты, большая масса, недостаточная подвижность корпуса, зависимость от источников питания, более высокие требования к техническому обслуживанию.
Известен экзоскелетон по заявке США US 2013303950, предназначенный для переноски дополнительного веса спереди. Экзоскелетон включает в себя несущий отсек, соединенный через поясничную секцию с возможностью поворота с первой и второй опорами для ног с соответствующими тазобедренными суставами, которые позволяют сгибания и разгибания вокруг соответствующих осей бедра. Также используется устройство противовеса в качестве вспомогательной массы позади несущего отсека экзоскелета таким образом, чтобы сбалансировать нагрузку в передней части с помощью механизмов в виде катушек, чтобы поднять или опустить переднюю нагрузку по отношению к несущему отсеку экзоскелетона.
Недостатком известного решения является то, что у конструкции более крупные габариты, большая масса, недостаточная подвижность корпуса, зависимость от источников питания, более высокие требования к техническому обслуживанию, с внешними опорными площадками для обуви больше вероятность споткнуться или зацепиться за неровности рельефа местности.
Известен пассивный грузовой экзоскелетон по патенту РФ №2362598 (публ. 27.07.2009), содержащий каркас с элементами крепления к туловищу, две пары тазобедренных и голеностопных рычагов, соединенных между собой посредством коленных шарниров с элементами фиксации, и шарнирно связанных свободными концами с каркасом и опорами стоп, где каркас выполнен в виде двухчастного корсета, с укрепленными на нем продольными направляющими, переходящими с передней на заднюю часть корсета, при этом соединение рычагов с каркасом осуществляется посредством компенсатора, установленного с возможностью перемещения по направляющим при изменении угла между каркасом и тазобедренным рычагом, а рычаги выполнены в виде пространственных оболочек, размещаемых с возможностью фиксации на передней части бедра и голени элементами крепления, а элемент крепления к опорам стоп выполнен в виде шарнирного узла, фиксируемого на обуви с возможностью поворота стопы вокруг трех осей координат. Данное решение рассматривается заявителем в качестве ближайшего аналога.
Недостатком известной конструкции является недостаточная подвижность корпуса, сложность и вес узлов, увеличивающих массу устройства, требовательность к обслуживанию (по сравнению с заявленным устройством), а следовательно, недостаточно высокие эргономические характеристики использования и безопасности перемещения, например, нет возможности легкого разъединения отдельных узлов экзоскелета.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное решение, является увеличение коэффициента отношения массы переносимого груза к собственной массе экзоскелета при улучшенной эргономичности конструкции, повышении эксплуатационной надежности с одновременным снижением габаритных размеров и веса изделия.
Заявляемая конструкция позволяет продолжительное время переносить тяжести на большие расстояния, с приложением минимума усилий и без вреда для здоровья. При этом конструкция предполагает возможность легкого отсоединения и снятия отдельных частей экзоскелета. Данное устройство будет полезно: альпинистам, туристам, путешественникам, военнослужащим, спасателям, пожарникам, а также инвалидам.
Заявленный технический результат достигается тем, что в грузовом экзоскелете, содержащем 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, каркас состоит из плечевого блока, в виде комбинации X-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, при этом 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.
При этом пластины плечевого блока могут быть выполнены с возможностью регулировки размера, а в качестве элементов крепления к туловищу могут быть использованы ремни.
Спинной карданный узел грузового экзоскелета состоит из крестового кардана, соединяющего две трубки, с заглушками на противоположных концах, и фиксатора, выполненного в виде внешней втулки, и установлен в опорных площадках с возможностью вращения вокруг оси.
При этом площадки скольжения могут быть установлены на пространственных оболочках тазобедренных рычагов с помощью как неразъемного, так и разъемного соединения.
При этом разъемное соединение опорной скобы обеспечивается фиксаторами-защелками, шарнирно связанными с вилкой голеностопа и взаимодействующими с боковыми упорами опорных площадок, а вилка голеностопа может иметь два боковых прилива, ограничивающих боковую амплитуду колебания стопы.
Кольцевой кардан грузового экзоскелета выполнен в виде сборки кольца, ползуна, хомута и основания с возможностью перемещения внутренней поверхности цилиндрического ползуна по кольцу, при одновременной возможности вращения хомута, соединенного с основанием, по внешней поверхности ползуна. При этом на ползуне имеются выступы, препятствующие сползанию хомута с ползуна, а специальные выступы на ползуне и основании кольцевого кардана ограничивают маховое движение правой ноги влево (и точно также для левой ноги вправо), что предотвращает складывание конечностей в этих направлениях и делает перенос груза более комфортным.
Заявленная конструкция поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 представлены общие виды надетого на человека грузового экзоскелета, где 1 - плечевой блок, 2 - спинной карданный узел с опорными площадками 3, поясничный блок - 4, соединенный с пространственными оболочками бедра 5, кольцевыми карданами 6, пространственные оболочки голени 7 соединены с вилкой голеностопа 8 с установленными опорными площадками 9. Элементы конструкции закрепляются на теле человека с помощью элементов крепления 10, например ремней с пряжками.
На фиг. 2 представлена конструкция каркаса, состоящего из плечевого и поясничного блоков и спинового карданного узла. Где 11 - комбинации X-образно соединенных пластин, изогнутых на концах по форме, отвечающей плечевому поясу человека. Две верхние пластины плечевого блока 12 принимают на себя вес груза, а две боковые пластины 13 фиксируют положение блока относительно тела человека. Пластины могут быть единым целым или быть выполненными раздвижными 14 с возможностью регулировки размера. Опорная площадка спинного карданного узла 15 крепится в центре комбинации X-образно соединенных пластин с помощью винтов или может быть выполнена как единое целое с плечевым блоком. Пояс-коромысло 16 изогнут по форме поясничной области тела человека, где в верхней серединной точке коромысла крепится опорная площадка спинного кардана 17, а концы коромысла с элементами крепления карданов 18 опущены и находятся на уровне тазобедренных суставов.
На фиг. 3 представлена конструкция спинного карданного узла 2, где 19 - крестовой кардан, соединяющий две трубки 20 и 21, с заглушками 22 на противоположных концах, и фиксатор 23, выполненный в виде внешней втулки (см. фиг. 2). Диаметр кардана равен диаметру трубок. Фиксатор сделан в виде втулки, которая с небольшим натягом может перемещаться по трубкам. Внешняя сторона фиксатора сделана рифленой, чтобы рука не скользила, перемещая фиксатор. При переносе груза фиксатор опускается вниз, происходит блокировка кардана. Это дает необходимую жесткость конструкции для комфортного переноса груза. Когда фиксатор поднят, кардан позволяет человеку совершать наклоны позвоночником, что благоприятно сказывается на эргономичности. Конец одной из трубок вставляется в опорную площадку и фиксируется в ней винтом через резьбовое отверстие в заглушке 22. Данный вид соединения позволяет карданному узлу вращаться вокруг своей оси относительно корпуса. Это дает человеку возможность поворачивать верхнюю часть тела вправо и влево.
На фиг. 4 показана конструкция кольцевого кардана грузового экзоскелета, выполненного в виде сборки кольца 24, с элементом крепления 25 к поясу-коромыслу 16, ползуна - 26, хомута - 27 и основания 28, с возможностью перемещения внутренней поверхности цилиндрического ползуна по кольцу, при одновременной возможности вращения хомута, соединенного с основанием, по внешней поверхности ползуна. При этом на ползуне имеются каплевидные выступающие торцы 29, препятствующие как сползанию хомута с ползуна, так и ограничивающие маховое движение правой ноги влево (и точно также для левой ноги вправо), что предотвращает складывание конечностей в этих направлениях и делает перенос груза более комфортным.
На фиг. 5 и 6 показана система крепления кольцевого кардана к пространственным оболочкам бедра 5. К основанию 28 кольцевого кардана крепится консоль 30. Другой конец консоли изогнут под углом, примерно, 90 градусов и имеет цилиндрическую поверхность. На этой поверхности с внутренней стороны может быть предусмотрено углубление 31, являющееся местом сбора инородных частиц, попавших между площадкой скольжения и консолью, одновременно является пространством перемещения фиксирующего винта консоли 32, ограничивающего перемещение консоли по площадке скольжения 33 с направляющими 34, не давая выскочить консоли из площадки в крайнем положении. Для увеличения износостойкости трущихся поверхностей направляющих площадки и консоли может быть использована металлическая накладка 35.
С обратной стороны площадки скольжения имеются 2 упора для соединения с конечностью (пространственной оболочкой бедра). В упрощенном стационарном варианте площадка скольжения может крепиться к пространственной оболочке бедра с помощью винтов (при этом упоры не используются). При съемном соединении бедро имеет на фронтальной стороне 2 отверстия 36, упор для площадки скольжения 37 и подпружиненный фиксатор 38. Площадка прикладывается к бедру, подпружиненный фиксатор утапливается, упоры на площадке входят в отверстия бедра и площадка продвигается вниз, до упора. При этом срабатывает фиксатор, который не дает площадке подняться обратно и выйти из зацепления.
На фиг. 7 показана система крепления опорной площадки 9. Пространственные оболочки бедра 5 и голени 7 соединяются винтами через подшипники скольжения 39. Голень соединяется с вилкой голеностопа с помощью винта через подшипник скольжения 40. Вилка голеностопа 8 имеет вид коромысла с опущенными параллельными концами. У вилки голеностопа есть боковые приливы 41, ограничивающих боковую амплитуду (вправо-влево) колебания стопы, во избежание повреждения связок. К концам вилки голеностопа через подшипники скольжения 42 присоединены фиксаторы-защелки 43, обеспечивающие разъемное соединение опорной площадки 9. Скоба опорной площадки 9 вставляется в обувь, например, под стельку. Снаружи обуви с 2-х сторон прикладываются боковые упоры опорной площадки 44, например, в виде пластины в виде трапеций, с пазами в верхней части и прикручиваются винтами к опорной скобе, которые взаимодействуют с фиксаторами-защелками.
Для экзоскелета подойдет практически любой вид ботинок или кроссовок с жесткой подошвой.
Груз давит на плечевые пластины плечевого блока, через него нагрузка передается на заблокированный узел спинного кардана и далее на поясничный отдел. В поясничном узле нагрузка распределяется на две нижние конечности в пропорции, зависящей от наклона корпуса вправо или влево. От нижних конечностей нагрузка передается на опорные площадки, интегрированные в обувь, и уже через подошву взаимодействует с поверхностью, на которой стоит человек. Экзоскелет крепится на теле человека с помощью системы ремней с пряжками и «липучками».
2
3
Трущиеся поверхности, такие как подшипники скольжения, или ползуны, или накладки, выполнены из металла, например дюраля или титана. Их поверхность обработана с помощью МДО (микродугового оксидирования), в результате которого на поверхности образуется слой, состоящий из А1О (корунда), не требующий смазки и не боящийся загрязнений. Остальные части экзоскелета могут быть выполнены из пластика, композитного материала, например карбона, или легких металлов в зависимости от назначения и условий эксплуатации.
Детали конечностей располагаются с фронтальной стороны конечностей человека, что делает распределение нагрузки на бедро человека (при нагруженной согнутой ноге), на опорную площадку голеностопа равномерным и комфортным, чего нельзя сказать о экзоскелетах с боковым расположением рычагов нижних конечностей.
Разъемными соединениями экзоскелета являются опорная скоба и площадка скольжения, которые позволяют, при необходимости, отстегивать экзоскелет, не снимая обувь, или отстегнуть верхнюю часть, например, при отсутствии груза, оставив пристегнутыми конечности, на которых может быть закреплен какой-либо груз.