МЕХАТРОННЫЙ МОДУЛЬ КОЛЕННОГО СУСТАВА ДЛЯ ЭКЗОСКЕЛЕТА НИЖНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ ЧЕЛОВЕКА

Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для усиления мышечной силы человека за счет дополнительного внешнего каркаса. Мехатронный модуль повторяет биомеханику коленного сустава человека и применяется для осуществления и пропорционального увеличения выходного усилия в суставе при движении. Данный модуль может использоваться как интегрированным в систему (например, в скафандр, экзоскелет), так и как отдельная единица.
Известен полицентрический бесшарнирный коленный модуль для ортезов и протезов (см. патент на изобретение №2087138, A61F 2/64, 1997), содержащий головки шин бедра и голени, которые жестко связаны между собой с одной стороны эластичным ограничителем, а с другой стороны - упругим элементом, на котором неподвижно установлены съемные упоры-ограничители, количество которых зависит от габаритов и степени поражения коленного сустава.
Недостатком данной конструкции является невозможность увеличения мышечной силы человека.
Наиболее близким, по общей совокупности признаков, к заявляемому модулю является костюм для увеличения человеческой силы (см. Интернет http:/wisecomp.ru/news, публикация от 11.05.2010), содержащее внешний каркас, изготовленный из металла и пластика, и приводимый в действие с помощью восьми электроприводов шарниров в суставах верхних и нижних конечностей.
Недостатком данного костюма для увеличения человеческой силы являются невысокая грузоподъемность из-за недостаточной жесткости устройства и большое потребление энергии электроприводами вращательного движения шарниров в коленях из-за того, что центр масс конструкции расположен далеко от центра вращения шарнира.
Задачей полезной модели является повышение грузоподъемности устройства и снижение энергопотребления приводами шарниров в коленном суставе при движении.
Технический результат достигается путем применения в конструкции устройства мехатронного модуля коленного сустава с приводом поступательного движения, работающего параллельно с коленным суставом человека.
Схема мехатронного модуля коленного сустава для экзоскелета нижних конечностей человека показана на рис. 1.
Мехатронный модуль включает в себя основание 1, которое при помощи гибких эластичных ремней 2 крепится к бедру человека. К нижней части основания 1 присоединена с образованием вращательной кинематической пары поворотная пластина 3, которая с помощью гибких эластичных ремней 2 также крепится к голени ноги человека. В верхней части основания 1 при помощи сферического шарнира присоединен привод поступательного движения 4, выходной вал которого соединен с поворотной пластиной 3 также при помощи сферического шарнира. В нижней части бедра человека, спереди, в районе медиальной широкой мышцы, крепится датчик 5 биологического сигнала, соединенный с системой компьютерного управления (на рисунке не представлена) по каналам радиосвязи.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
При попытке человека совершить движение нижней конечностью, от датчика 5 поступает сигнал в систему компьютерного управления, которая в соответствии с заданной программой управления, подает питающее напряжение на привод поступательного движения 4, пропорциональное величине требуемого выходного усилия коленного модуля. Выходной вал привода поступательного движения 4 совершает поступательное перемещение в необходимом направлении, приводя в движение поворотную пластину 3, которая также совершает угловое перемещение вместе с голенью ноги человека. Затем в соответствии с программой управления выходной вал привода поступательного движения 4 движется в обратном направлении и поворотная пластина вместе с голенью человека возвращается в исходное положение. Затем цикл повторяется.