БЕДРЕННОЕ ЗВЕНО АКТИВНОГО ОРТЕЗА НОГИ

[0001] Полезная модель относится к области медицинской техники, в частности к носимым вспомогательным средствам, содействующим двигательной активности человека, например таким, как экзоскелет нижних конечностей.
[0002] Пациенты с параличами нижних конечностей, а также во многих случаях пожилые люди, люди с физическими недостатками, утратившие мышечную силу, не имеют возможности самостоятельно передвигаться в пространстве в вертикальном положении. Поэтому в настоящее время ведется разработка различных вспомогательных усиливающих устройств для содействия физическим действиям этих людей или для выполнения физических действий вместо этих людей.
[0003] Среди существующих вспомогательных усиливающих устройств особое место занимает класс носимых (надеваемых на пользователя) вспомогательных устройств, содействующих двигательной активности, а именно активных экзоскелетов нижних конечностей.
[0004] Одним из направлений в разработке таких устройств является улучшение динамических характеристик за счет снижения массы и моментов инерции подвижных звеньев экзоскелета. Улучшение динамических характеристик приводит к уменьшению потребляемой мощности приводов и общей потребляемой экзоскелетом энергии или, другими словами, к повышению экономичности.
[0005] Для этого приводы, осуществляющие движение бедренного и голенного звеньев активного ортеза ноги, располагают на одном подвижном звене ортеза, обладающем меньшими амплитудой и скоростью движения, - бедренном. Тем самым значительно снижается масса и момент инерции голенного звена.
[0006] Известно устройство помощи движению носимого типа, описанное в патенте RU 2344803, A61H 3/00, 2005, включающее в себя пояс талии, часть помощи правой ноге, предусмотренную на правой стороне ниже пояса талии, и часть помощи левой ноге, предусмотренную на левой стороне ниже пояса талии.
[0007] Часть помощи правой ноге и часть помощи левой ноге включают в себя первый каркас, проходящий вниз таким образом, чтобы поддерживать пояс талии, второй каркас, проходящий вниз от первого каркаса, третий каркас, проходящий вниз от второго каркаса, четвертый каркас, на котором размещается нижняя сторона ступни носителя устройства, предусмотренный на нижнем конце третьего каркаса.
[0008] Между нижним краем первого каркаса и верхним краем второго каркаса вставлено первое соединение, а между нижним краем второго каркаса и верхним краем третьего каркаса вставлено второе соединение. В первом соединении предусматривается первый приводной источник для передачи движущей силы для вращения второго каркаса, а во втором соединении предусматривается второй приводной источник для передачи движущей силы для вращения третьего каркаса.
[0009] Известно бедренное звено ноги носимого роботизированного устройства, описанное в опубликованной международной заявке WO 2015/153633, A61H 3/00, 2015, содержащее силовой каркас, на котором размещены первый и второй приводы. Каждый привод включает в себя электродвигатель и трансмиссию, передающую крутящий момент на выходное звено привода. Трансмиссия представляет собой несколько соединенных последовательно цепных передач.
[0010] Выходное звено первого привода предназначено для крепления к голенному звену ноги носимого роботизированного устройства, а выходное звено второго привода предназначено для крепления к поясной части носимого роботизированного устройства.
[0011] Известно бедренное звено ноги устройства помощи при ходьбе, описанное в опубликованной заявке US 2015/0272810, A61H 3/00, 2015, содержащее силовой каркас, на котором с возможностью регулирования положения размещены первый и второй приводы. Каждый привод включает в себя электродвигатель и понижающую передачу, передающую крутящий момент на выходное звено привода.
[0012] Выходное звено первого привода присоединено к голенному звену ноги устройства помощи при ходьбе, а выходное звено второго привода присоединено к поясной части устройства помощи при ходьбе.
[0013] Недостатком известных устройств помощи движению является низкий выходной крутящий момент приводов, что не позволяет использовать эти устройства для пациентов с параличами нижних конечностей.
[0014] Известно бедренное звено ноги экзоскелета нижних конечностей, описанное в опубликованной заявке US 2015/0025423, A61H 3/00, 2015, содержащее силовой каркас, на котором с возможностью регулирования положения размещены первый и второй приводы. Каждый привод включает в себя электродвигатель и трансмиссию, передающую крутящий момент на выходное звено привода.
[0015] Трансмиссия представляет собой комбинацию конических и цилиндрических зубчатых передач. Выходное звено первого привода присоединено к голенному звену ноги экзоскелета нижних конечностей, а выходное звено второго привода присоединено к поясной части экзоскелета нижних конечностей.
[0016] Данное устройство принято в качестве прототипа. При его достаточно большом выходном моменте устройство обладает большими габаритами, массой и потребляемой энергией.
[0017] Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в расширении арсенала технических средств вспомогательных устройств содействия двигательной активности человека, таких как активные экзоскелеты нижних конечностей, за счет увеличения выходного крутящего момента исполнительных приводов бедренного звена ортеза ноги экзоскелета.
[0018] Кроме того, техническим результатом также является улучшение массогабаритных характеристик, т.е. снижение массы и уменьшение размеров устройств при сохранении остальных возможностей и технических характеристик устройств.
[0019] Еще одним техническим результатом является упрощение и повышение надежности регулирования длины бедренного звена ортеза ноги при подгонке экзоскелета нижних конечностей к конкретному человеку-носителю.
[0020] Указанный технический результат достигается за счет того, что бедренное звено активного ортеза ноги содержит силовой каркас с размещенными на нем первым и вторым приводами, из которых, по крайней мере, один установлен с возможностью регулирования своего положения относительно силового каркаса.
[0021] В общем случае, для различных вариантов применения экзоскелета приводы бедренного звена могут быть выполнены различными. Например, при реабилитации пациентов (особенно с большой массой тела) с операцией на тазобедренном суставе требуется использовать первый привод с максимально возможным выходным моментом для поворота бедра экзоскелета, в то время как второй привод коленного сустава может выполнять вспомогательную поддерживающую функцию, не требующую большой мощности. При этом второй привод может быть выполнен в виде любой известной из уровня техники конструкции.
[0022] Первый привод включает в себя основание с установленными на нем электродвигателем, направляющей с ползуном и шарико-винтовой передачей, гайка которой закреплена на ползуне, и механическую передачу, связывающую электродвигатель с винтом шарико-винтовой передачи.
[0023] Кроме того, первый привод включает кривошип, выполненный в виде двуплечего рычага, установленного на основании с возможностью поворота, первое плечо которого расположено по крайней мере с одной стороны винта шарико-винтовой передачи, и шатун, одним концом шарнирно соединенный с ползуном, а другим концом шарнирно соединенный с первым плечом кривошипа.
[0024] Ось вращения кривошипа расположена в пределах (габаритах) винта шарико-винтовой передачи в плоскости, перпендикулярной оси винта шарико-винтовой передачи, таким образом, что шарнир, соединяющий шатун с первым плечом кривошипа, имеет возможность пересечения (перемещения через) указанной плоскости в процессе работы привода.
[0025] Второе плечо кривошипа предназначено для крепления к первому ответному звену ортеза ноги, а выходное звено второго привода предназначено для крепления ко второму ответному звену ортеза ноги.
[0026] Такое выполнение и расположение кривошипа позволяет уменьшить общие габариты привода и получить угол поворота выходного звена, соответствующий углам поворота нижних конечностей в суставах человека. Кроме того, такое выполнение позволяет получить практически постоянный (мало меняющийся) максимальный момент на достаточно большом угле поворота кривошипа.
[0027] Предпочтительным является такое выполнение бедренного звена активного ортеза ноги, при котором в качестве механической передачи, связывающей электродвигатель с винтом шарико-винтовой передачи, использована зубчато-ременная передача. При этом электродвигатель располагается параллельно винту шарико-винтовой передачи, что позволяет уменьшить осевые габариты (длину) привода. Редуцирование крутящего момента в зубчато-ременной передаче позволяет использовать электродвигатель меньших габаритов, что, в свою очередь, приводит к уменьшению поперечных габаритов (высота, ширина) привода.
[0028] В конкретном случае исполнения бедренного звена активного ортеза ноги кривошип может быть выполнен в виде вилки или составным из двух частей, при этом первое плечо кривошипа располагается с обеих сторон винта шарико-винтовой передачи. Первый привод снабжен вторым шатуном, расположенным с противоположной стороны винта шарико-винтовой передачи относительно первого шатуна и шарнирно соединенным одним концом с ползуном, а другим концом с первым плечом кривошипа.
[0029] В частном случае исполнения бедренного звена активного ортеза ноги на силовом каркасе может быть выполнена опора, при этом по крайней мере один привод может быть установлен на опоре с возможностью перемещения и последующей фиксации.
[0030] В частном случае исполнения бедренного звена активного ортеза ноги на опоре силового каркаса могут быть выполнены зубцы. На основании по крайней мере одного привода могут быть выполнены зубцы с профилем, соответствующим (ответным) профилю зубцов опоры, при этом основание привода крепится к опоре посредством резьбового соединения.
[0031] Предпочтительно, чтобы зубцы на опоре силового каркаса и на основании привода были выполнены треугольного профиля. Такое выполнение крепления основания привода к опоре обеспечивает очень надежную их фиксацию и простое регулирование - достаточно ослабить резьбовое соединение на величину высоты зубца.
[0032] Предпочтительным является такое выполнение бедренного звена активного ортеза ноги, при котором второй привод выполнен аналогичным первому приводу.
[0033] Предпочтительным является такое выполнение бедренного звена активного ортеза ноги, при котором второе плечо кривошипа первого привода предназначено для установки на голенном звене ортеза ноги, а второе плечо кривошипа второго привода предназначено для установки на поясной части экзоскелета нижних конечностей.
[0034] Вышеизложенное представляет собой краткое изложение сущности полезной модели 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 полезной модели является только иллюстративным и не подразумевает какое-либо ограничение.
[0035] Для лучшего понимания сути предлагаемого технического решения ниже приводится описание конкретного примера выполнения, не являющееся ограничительным примером практической реализации бедренного звена активного ортеза ноги в соответствии с заявляемой полезной моделью со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее.
[0036] На фиг. 1 изображен общий вид экзоскелета нижних конечностей с заявляемым бедренным звеном (элементы крепления на человеке-носителе условно не показаны).
[0037] На фиг. 2 изображен общий вид экзоскелета нижних конечностей с заявляемым бедренным звеном, вид сзади.
[0038] На фиг. 3 изображен общий вид ортеза ноги.
[0039] На фиг. 4 изображен общий вид ортеза ноги со снятой крышкой каркаса.
[0040] На фиг. 5 изображено крепление приводов на опоре.
[0041] На фиг. 6 изображен общий вид привода в первом крайнем положении.
[0042] На фиг. 7 изображен общий вид привода во втором крайнем положении.
[0043] На фиг. 8 изображена схема работы привода.
[0044] 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.
[0045] Бедренное звено активного ортеза ноги предназначено для перемещения звеньев экзоскелетов нижних конечностей. На фиг. 1 показан человек-носитель 1 с упомянутым активным экзоскелетом 2, состоящим из поясной части 3 и двух ортезов 4 ног. Как и ноги человека, ортезы 4 активного экзоскелета 2 нижних конечностей являются зеркальным отражением друг друга.
[0046] Как показано на фиг. 2, ортез 4 ноги включает в себя бедренное звено 5 и голенное звено 6. На поясной части 3 экзоскелета 2 нижних конечностей размещается система управления 7, включающая также аккумуляторную батарею.
[0047] Основу бедренного звене, 5 (фиг. 3) составляет силовой каркас 8, включающий опору 9 и крышку 10. На силовом каркасе 8 установлены два одинаковых привода: привод 11 поворота бедренного звена 5 и привод 12 поворота голенного звена. Приводы 11 и 12 имеют соответственно управляющие контроллеры 13 и 14. Ось 15 поворота бедренного звена 5 относительно поясной части 3 активного экзоскелета 2 соответствует тазобедренному суставу. Ось 16 поворота голенного звена 6 относительно бедренного звена 5 соответствует коленному суставу.
[0048] Как показано на фиг. 4 и фиг. 5, приводы 11 и 12 закреплены на опоре 9 силового каркаса 8 при помощи резьбового соединения, в частности гайками 17 и 18 соответственно. Для простоты регулировки положения приводов 11, 12 и надежной их фиксации на опоре 9 выполнены зубья 19 треугольной формы. На основаниях приводов 11 и 12 также выполнены зубья с профилем, соответствующим профилю зубьев 19. Регулирование положения приводов 11 и 12 на опоре 9 осуществляется путем отворачивания (ослабления) одной или обеих гаек 17, 18, перемещением одного или обоих приводов 11, 12 на заданное расстояние, кратное шагу зубьев 19, и последующей фиксации их гайками 17, 18.
[0049] На фиг. 6 и фиг. 7 показан привод 11, осуществляющий поворот бедренного звена 5 относительно поясной части 3 активного экзоскелета 2 нижних конечностей. Указанный привод содержит основание 20 (на фиг. 6 и фиг. 7 корпус условно изображен прозрачным) с установленным на нем электродвигателем 21. Внутри основания 20 расположена линейная направляющая 22 по которой перемещается ползун 23.
[0050] В установленном на основании 20 подшипниковом узле 24 размещен винт 25 шарико-винтовой передачи. Гайка 26 шарико-винтовой передачи закреплена на ползуне 23 и имеет возможность перемещения вместе с ним по направляющей 22. Электродвигатель 21 связан с винтом 25 шарико-винтовой передачи посредством зубчато-ременной передачи 27.
[0051] На основании 20 с возможностью поворота на оси 15 установлен кривошип 28, выполненный в виде двуплечего рычага. Первое плечо A двуплечего рычага конструктивно выполнено так, что его части расположены с обеих сторон винта 25 шарико-винтовой передачи. Второе плечо B предназначено для крепления на ответном звене, в данном случае на поясном звене 3. Ось 15 вращения кривошипа 28 расположена в габаритах винта 25 шарико-винтовой передачи в плоскости S (см. фиг. 8), перпендикулярной оси винта 25 шарико-винтовой передачи.
[0052] По обеим сторонам винта 25 шарико-винтовой передачи расположены два шатуна 29, каждый из которых одним концом шарнирно соединен с ползуном 23, а другим концом шарнирно соединен с соответствующей стороной первого плеча A кривошипа 28.
[0053] Работа бедренного звена 5 активного ортеза ноги осуществляется следующим образом. От системы управления 7 на контроллеры 13 и 14 приводов 11 и 12 поступают команды, определяющие, какой узел ортеза ноги и на какой угол необходимо повернуть. При подаче команды, например, на поворот бедренного звена 5 на контроллер 13 включается двигатель 21, который через ременную передачу 27 передает вращение на винт 25 шарико-винтовой передачи. Ползун 23 перемещается по линейной направляющей 22 из положения 23a в положение 23b (фиг. 8).
[0054] Ползун 23 тянет за собой шатуны 29, которые перемещаются из положения 29a в положение 29b. Шатуны 29, в свою очередь, тянут за собой первое плечо A кривошипа 28, который поворачивается из положения 28a в положение 28b на угол α, соответствующий углу поворота тазобедренного сустава человека.
[0055] В процессе работы шарниры, соединяющие шатуны 29 с первым плечом A кривошипа, пересекают плоскость S, перпендикулярную оси винта 25 шарико-винтовой передачи. Это позволяет получить практически постоянный (изменяемый в небольших пределах) максимальный крутящий момент на выходном звене привода - кривошипе - на значительном угле его поворота.
[0056] Работа привода 12 поворота голенного звена осуществляется аналогичным образом.
[0057] Хотя в данном документе были описаны различные стороны осуществления заявленной полезной модели, специалистам в данной области техники понятно, что возможны другие подходы к осуществлению данной полезной модели. Различные стороны и реализация данной полезной модели изложены в настоящем описании в иллюстративных целях и не подразумевают ограничения, причем объем защиты настоящей полезной модели указан в нижеследующей формуле полезной модели.