Редуктор верхних и нижних конечностей экзоскелета
REDUCER OF UPPER AND LOWER EXTREMITIES OF EXOSKELETON

Группа изобретений относится к робототехнике и может быть использована в конструкциях экзоскелетов, чтобы приводить в движение верхние и/или нижние конечности человека.
Известно использование в экзоскелетах сервоприводов с выходными валами и электродвигателями (см. патент РФ № 156507, МПК A62B 99/00, A61H 3/00, опубл. 10.11.2015).
Недостатками известного решения являются высокая стоимость, обусловленная применением сервоприводов, поддержание крутящего момента преимущественно на высоких оборотах, а также сложность эксплуатации сервоприводов за счет необходимости их подключения и настройки.
В качестве ближайшего аналога принят редуктор экзоскелета нижних конечностей, содержащий исполнительный элемент экзоскелета, каркас с закрепленным на нем двигателем, причем вал двигателя сопряжен со вторым параллельным валом с помощью передачи, причем на втором валу закреплена вторая передача (см. патент РФ № 2712068, МПК A61H 3/00, опубл. 24.01.2020).
Недостатками ближайшего аналога являются конструктивная сложность устройства за счет большого количества элементов, которая обуславливает и достаточно высокие массогабаритные характеристики.
Задачей, на решение которой направлена группа изобретений, является разработка эффективного, компактного и легкого редуктора.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в следующем:
- эффективная передача крутящего момента от двигателя к исполнительному элементу экзоскелета;
- обратимость - при отключении напряжения можно вручную вернуть конечности в любое положение;
- возможность эксплуатации при температурах от -20°С до +40°С;
- уменьшение массогабаритных характеристик;
- возможность ориентации исполнительного элемента экзоскелета как вдоль оси вала двигателя, так и перпендикулярно оси вала двигателя;
- расширение области применения за счет возможности изменения типов и перестановки передач, а также изменения количества передач и валов.
Поставленная задача решается тем, что редуктор верхних и нижних конечностей экзоскелета, содержащий исполнительный элемент экзоскелета, каркас с жестко и съемно закрепленным на нем двигателем, валы, сопряженные друг с другом посредством передач, причем пара валов ориентирована параллельно друг другу, отличается тем, что вал двигателя сопряжен со вторым валом посредством первой волновой передачи с передаточным числом 80, при этом второй вал выполнен соосным с валом двигателя или его ось ориентирована параллельно оси вала двигателя, кроме того, второй вал посредством второй зубчатой передачи с передаточным числом 1:5 сопряжен с третьим валом, ось которого ориентирована параллельно второму валу и на котором жестко зафиксирован исполнительный элемент экзоскелета.
Поставленная задача также решается тем, что редуктор верхних и нижних конечностей экзоскелета, содержащий исполнительный элемент экзоскелета, каркас с жестко и съемно закрепленным на нем двигателем, валы, сопряженные друг с другом посредством передач, причем пара валов ориентирована параллельно друг другу, отличается тем, что вал двигателя сопряжен со вторым валом посредством первой планетарной передачи с передаточным числом 20, при этом второй вал выполнен соосным с валом двигателя или его ось ориентирована параллельно оси вала двигателя, кроме того, второй вал посредством второй ременной передачи с передаточным числом 4 сопряжен с третьим валом, ось которого ориентирована параллельно второму валу, кроме того, третий вал посредством третьей конической передачи с передаточным числом 4 сопряжен с четвертым валом, ось которого ориентирована перпендикулярно оси третьего вала, а четвертый вал посредством четвертой зубчатой передачи с передаточным числом 1,15 сопряжен с пятым валом, ось которого ориентирована параллельно оси четвертого вала и на котором жестко зафиксирован исполнительный элемент экзоскелета.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формул изобретений позволяют увеличить значение крутящего момента, передаваемого от двигателя к исполнительному элементу экзоскелета.
На фиг.1 приведена общая схема редуктора верхних и нижних конечностей экзоскелета, описанного в первом независимом пункте формулы.
На фиг.2 приведена общая схема редуктора верхних и нижних конечностей экзоскелета, описанного во втором независимом пункте формулы.
На фиг.3 изображен пример экзоскелета с заявляемыми редукторами.
На чертежах показаны исполнительный элемент 1 экзоскелета, каркас 2, двигатель 3, валы 4-8 двигателя и со второго по пятый и передачи 9-12 с первой по четвертую.
На каркасе 2 жестко и съемно закреплен двигатель 3.
В полости каркаса 2 с возможностью вращения закреплены валы 4-8, на последнем из которых закреплен исполнительный элемент 1 экзоскелета, и передачи 9-12. Тем самым каркас 2 защищает внутренние элементы от неблагоприятных внешних факторов.
Вал 4 двигателя 3 сопряжен посредством первой передачи 9 со вторым валом 5, ось которого совпадает либо параллельна оси вала 4 двигателя 3.
Второй вал 5 посредством второй передачи 10 сопряжен с третьим валом 6, ось которого ориентирована параллельно второму валу 5.
Третий вал 6 посредством третьей передачи 11 сопряжен с четвертым валом 7, ось которого ориентирована перпендикулярно оси третьего вала 6.
Четвертый вал 7 посредством четвертой передачи 12 сопряжен с пятым валом 8, ось которого ориентирована параллельно оси четвертого вала 7.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
При включении двигателя 3 его вал 4 начинает вращаться, крутящий момент передается с вала 4 двигателя 3 на первую передачу 9, в результате начинается вращаться второй вал 5, а крутящий момент передается затем на вторую передачу 10, за счет чего начинает вращаться третий вал 6.
В редукторе верхних и нижних конечностей экзоскелета с двумя передачами (см. фиг.1) за счет вращения третьего вала 6 происходит поворот зафиксированного на нем исполнительного элемента 1 экзоскелета.
В редукторе верхних и нижних конечностей экзоскелета с четырьмя передачами (см. фиг.2) крутящий момент с третьего вала 6 передается на третью передачу 11, за счет чего начинает вращаться четвертый вал 7, крутящий момент с четвертого вала 7 передается на четвертую передачу 12, начинает крутиться пятый вал 8 и происходит поворот зафиксированного на нем исполнительного элемента 1 экзоскелета.
Авторы определили характеристики разных вариантов устройств:
- для редуктора с двумя передачами (см. фиг.1) и входным крутящим моментом 3 Н⋅м значение выходного крутящего момента составило 880 Н⋅м;
- для редуктора с четырьмя передачами (см. фиг.2) и входным крутящим моментом 1,1 Н⋅м значение выходного крутящего момента составило 368 Н⋅м.
Учитывая вышесказанное можно сделать вывод, что значение выходного крутящего момента при минимальном количестве конструктивных элементов можно увеличить в сравнении со значением входного крутящего момента в сотни раз.
Таким образом, группа заявляемых устройств отличается высокой производительностью и простотой конструкции при сниженных массогабаритных характеристиках.