МОДУЛЬ КОНЕЧНОСТИ ЭКЗОСКЕЛЕТА

Различные причины, такие как травма, болезнь, возрастные изменения и т.п. снижают возможность самостоятельных движений и могут привести к ограничениям или полной потере движения или ощущения нижних или верхних конечностях. Для облегчения выполнения движений или выполнения движений используют различные вспомогательные устройства. К таким устройствам относятся носимые (надеваемые на пациента) экзоскелеты, содействующие двигательной активности для верхних или нижних конечностей. Активные экзоскелеты имеют один или несколько приводов, которые приводят в действие звенья экзоскелета. Кроме того, подходящее вспомогательное устройство типа экзоскелета может обеспечивать лечение и активную реабилитацию, которые могут восстанавливать движение и ощущение в конечностях у пациентов с течением времени.
При использовании экзоскелетов, особенно в лечебных и реабилитационных учреждениях при использовании одного аппарата для нескольких пациентов, возникает задача регулировки длины звеньев в зависимости от длины конечности пациента. С анатомической точки зрения для человека увеличение/уменьшение длины заметно, если превышает 3-5 мм.
Известны модули конечности экзоскелета нижних конечностей (патент РФ на полезную модель №106531, опубл. 20.07.2011; патент РФ на изобретение №2200529, опубл 13.12.2000, патент США №7416538, опубл. 26.08.2008), в которых регулировка длины бедренного или голенного звена осуществляется за счет выполнения звеньев с телескопической конструкцией и возможностью фиксации каждого жесткого элемента в нескольких положениях. Недостатком модулей конечности экзоскелета является высокая точность, необходимая при изготовлении телескопических конструкций.
В модуле конечности экзоскелета (патент РФ на изобретение №2635760, опубл. 15.11.2017, патент США №9808073, опубл. 07.11.2017) на основании привода установлен кронштейн, с возможностью перемещения звеньев с последующей фиксацией посредством штырей, вставляемых в отверстия, выполненных на основании и кронштейне. Недостатком модуля конечности экзоскелета является недостаточная точность при регулировке длины, недостаточный шаг изменения длины из-за невозможности выполнения отверстий с требуемой частотой, риск потери прочности при увеличении частоты отверстий.
Еще одним общим недостатком большинства указанных модулей является различная конструкция звеньев модуля, что усложняет замену отдельных частей модуля конечности экзоскелета. При этом в большинстве указанных модулей изменение длины предусмотрено только для одного звена модуля (в модулях для экзоскелетов ноги - для бедренного звена), что не позволяет точно регулировать длину всего модуля в зависимости от размеров конечности пациента.
В модуле конечности экзоскелета (патент США №9855181, опубл. 02.01.2018,) предложено использовать одинаковый механизм регулирования длины для бедренного и голенного звеньев, однако в данном модуле используется телескопическая конструкция, а регулировка длины осуществляется за счет закрепления штырей в отверстиях. Недостатком модуля конечности экзоскелета является риск потери прочности при увеличении частоты отверстий.
В модуле конечности экзоскелета (заявка РСТ WO 2005087172, опубл. 22.09.2005) предложено использовать одинаковый механизм регулирования длины для бедренного и голенного звеньев, а регулировка длины бедренного или голенного звена осуществляется за счет винтового механизма. В данном модуле используется телескопическая конструкция, обладающая указанным недостатком: высокая точность, необходимая при изготовлении телескопических конструкций.
Ближайшим аналогом разработанного модуля конечности экзоскелета является модуль конечности экзоскелета (патент РФ на полезную модель №171262, опубл. 25.05.2017), содержащий привод, первый ряд зубцов и второй ряд зубцов, первую рейку, при этом выступы и пазы первого и второго рядов зубцов выполнены взаимно дополняющими, а первый ряд зубцов выполнен на первой рейке.
Однако в ближайшем аналоге выполнение второго ряда зубцов заодно с корпусом привода усложняет конструкцию, снижает ремонтопригодность, поскольку замена элементов модуля конечности экзоскелета при ремонте требует замены корпуса или всего привода модуля экзоскелета. Еще одним недостатком ближайшего аналога является различная конструкция звеньев модуля экзоскелета, что усложняет замену отдельных частей модуля.
Таким образом, задачей, на решение которой направлена разработанная полезная модель является обеспечение технологичности производства, упрощение ремонта и замены частей изделия. Еще одной задачей является упрощение регулирования длины звеньев модуля экзоскелета при использовании его для пациентов в медицинских, реабилитационных, профилактических учреждениях.
Технической проблемой, на решение которой направлена предложенная полезная модель, является разработка модуля конечности экзоскелета, обеспечивающая регулировку длины различных звеньев модуля экзоскелета в зависимости от размеров конечностей пользователя экзоскелета.
Сущность разработанного модуля конечности экзоскелета заключается в том, что он, так же, как и ближайший аналог, содержит привод, первый ряд зубцов и второй ряд зубцов, первую рейку, при этом выступы и пазы первого и второго рядов зубцов выполнены взаимно дополняющими, а первый ряд зубцов выполнен на первой рейке.
Новым в разработанном модуле конечности экзоскелета является то, что он содержит третий ряд зубцов и четвертый ряд зубцов, вторую, третью и четвертую рейки, при этом второй ряд зубцов выполнен на второй рейке, третий ряд зубцов выполнен на третьей рейке, четвертый ряд зубцов выполнен на четвертой рейке, выступы и пазы третьего и четвертого рядов зубцов выполнены взаимно дополняющими, вторая рейка скреплена с первой рейкой и жестко зафиксирована относительно корпуса привода, а третья рейка скреплена с четвертой рейкой и жестко зафиксирована относительно выходного вала привода.
В частном случае рейки имеют сходную геометрическую форму и размер.
В другом частном случае первая и вторая, третья и четвертая рейки соответственно скреплены эксцентриковыми зажимами.
В разработанном модуле конечности экзоскелета использование рядов зубцов, выполненных на рейках с взаимно дополняющими выступами и пазами, позволяет изменять длину звеньев экзоскелета за счет соединения реек рядами зубцов и фиксации их друг относительно друга.
Выполнение реек со сходной геометрической формой и размером повышает технологичность конструкции, позволяет использовать модуль как для нижних, так и для верхних конечностей экзоскелета, а также упрощает замену элементов модуля конечности экзоскелета.
На фиг. 1 приведена схема модуля конечности экзоскелета по п. 3 формулы полезной модели.
Модуль конечности экзоскелета по фиг. 1 содержит привод 1, первый 2а, второй 3а, третий 4а и четвертый 5а ряды зубцов, выполненных на первой 2б, второй 3б, третьей 4б и четвертой 5б рейках соответственно. Рейки 2б и 3б, 4б и 5б скреплены друг с другом соответственно с помощью эксцентриковых зажимов 6. Рейка 3б прикреплена к корпусу привода 1, а рейка 4б прикреплена к выходному валу 7 привода 1.
Привод 1 может быть приводом электромеханического, гидравлического, или пневматического типа. Целесообразно использовать привод с диапазоном передаточных чисел редуктора: 5-100, с диапазоном допустимых углов: 0-135 градусов, с диапазоном рабочих скоростей: до 20 об/мин и кинематической точностью до 1 градуса.
Ряды зубцов 2а, 3а, 4а, 5а выполняются таким образом, чтобы выступы и пазы дополняли друг друга, например, зубцы могут быть треугольной, прямоугольной, трапециевидной формы или выполнены волнообразными. При этом размер зубцов задает шаг изменения длины модуля. Предусмотрено выполнение реек 2б, 3б, 4б, 5б со сходной геометрической формой.
Рейки 2б, 3б, 4б, 5б выполняются достаточно жесткими, чтобы выдерживать нагрузку, приходящуюся на модуль экзоскелета, например, из сплава Д16 и Д16Т. Размеры реек 2б, 3б, 4б, 5б определяются из расчетов запаса прочности и концентрации напряжения для конкретных свойств применяемых материалов, например по книге Биргер И.А., Мавлютов Р.Р. Сопротивление материалов: Учебное пособие. М. 1986. 560 с. В то же время поскольку с анатомической точки зрения вариативность длины бедра и плеча выше, чем голени и предплечья, рейки 2б и 3б могут быть длиннее реек 4б и 5б, а выполнение реек одинакового размера упрощает их замену и ремонт модуля конечности экзоскелета.
Скрепление реек 2б и 3б, 4б и 5б осуществляется любым способом, чтобы обеспечить фиксацию без люфта в соединении, например, с помощью эксцентриковых зажимов 6. Возможно скреплять рейки без зубцов за счет сухого трения, однако при регулировании длины звеньев модуля конечности экзоскелета наличие зубцов определенного размера упрощает сдвиг на требуемую величину. Исходя из того, что для человека увеличение/уменьшение длины звена экзоскелета заметно, если превышает 3-5 мм, целесообразно выбирать шаг зубцов 5 мм.
К виду и способам фиксации реек к корпусу привода и валу привода не предъявляется специальных требований. Возможно закрепление реек на корпусе привода и вале привода непосредственно, например, при помощи болтового, штифтового, резьбового соединения, также возможно закрепление через промежуточные элементы (кронштейны, прокладки).
Рейка 2б и 5б выполняются с возможностью прикрепления их к другим частям экзоскелета, а именно: рейка 2б - к бедренному или плечевому приводу, рейка 5б - к узлу стопы или к манжете на запястье. Крепление реек к другим частям экзоскелета возможно непосредственно, например, при помощи болтового, штифтового, резьбового соединения, также возможно крепление через промежуточные элементы (кронштейны, прокладки).
На рейках 2б, 3б, 4б, 5б могут быть размещены средства крепления экзоскелета к конечности пациента (на чертеже не показаны) с возможностью регулировки по толщине конечности. Средствами крепления могут быть застегивающиеся ремни (см. патент РФ на изобретение №2344803, опубл. 27.01.2009), С-образные скобы (см. патент РФ на изобретение №2555801, опубл. 10.07.2015) и др.
Модуль конечности экзоскелета применяют в экзоскелетах следующим образом. Модуль конечности экзоскелета может использоваться в экзоскелетах как для нижних, так и для верхних конечностей. Первоначально производят регулировку длины звеньев модуля в зависимости от длины конечности пациента за счет сдвига и скрепления реек 2б и 3б, 4б и 5б относительно друг друга соответственно. При надевании экзоскелета на пациента модуль конечности закрепляют на руке или ноге пациента.