ЭКЗОСКЕЛЕТ НИЖНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ

Полезная модель относится к средствам передвижения и устройствам, облегчающим перемещение грузов и предназначенных для увеличения физических возможностей человека и снижения утомляемости при выполнении различных видов работ, в частности для транспортировки тяжелых грузов.
Полезная модель предназначена для ситуаций, когда человеку наряду с ходьбой требуется перемещение грузов при подъеме и спуске по наклонной поверхности вверх-вниз (например, по лестнице).
Экзоскелет - это устройство предназначенное для уменьшения негативного воздействия физической нагрузки на опорно-двигательный аппарат посредством компенсации и перераспределения нагрузок.
Известен механический экзоскелет для нижних конечностей, содержащий поясничный узел крепления к телу человека, правый и левый бедренные узлы, правый и левый коленные узлы, правый и левый голенные узлы, правый и левый стопочные узлы, правый и левый несущие узлы, при этом правые бедренный, коленный, голенной и стопочный узлы соединены последовательно и также левые бедренный, коленный, голенной и стопочный узлы соединены последовательно, а правый несущий узел связывает правые бедренный и голенной узлы, левый несущий узел связывает левые бедренный и голенной узлы, поясничный узел крепления к телу человека выполнен в виде поясного ремня для крепления на талии человека, правый и левый бедренные узлы, каждый имеет бедренную балку и узел сиденья, бедренная балка имеет верхний конец для крепления к поясничному узлу крепления к телу человека посредством крепежных лент, при этом один конец упомянутой ленты крепится к поясному ремню, а другой к верхнему концу бедренной балки, и нижний конец для крепления - к коленному узлу, бедренная балка выполнена вдоль с четырьмя сторонами, на которых на каждой выполнены по продольному пазу, у которого такое поперечное сечение, что выходная часть выполнена суженной, а внутренняя часть расширенной, при этом первый паз расположен напротив второго, а третий напротив четвертого, причем первый паз расположен на стороне ближней к бедру, чем второй, четвертый паз расположен на стороне ближней к наружной боковой стороне бедра, чем третий, узел сиденья имеет посадочной элемент, бедренные ремни, соединенные с посадочным элементом, посадочный элемент имеет посадочную и крепежные планки, соединенные между собой, причем к свободной стороне крепежной планки присоединен сухарик для расположения в первом пазу бедренной балки для возможности скольжения посадочного элемента, правый и левый коленные узлы, каждый имеет ремни для крепления голени человека, верхнюю поперечную балку для крепления к нижнему концу бедренной балки, среднюю поперечную балку для крепления к голенному узлу, две рамы, расположенные в параллельных плоскостях, каждая рама состоит из двух стыкованных Г-образных пластин - первой и второй, каждая из Г-образных пластин имеет стыковочное длинное плечо и крепежное короткое плечо, причем стыковочные длинные плечи первой и второй Г-образных пластин концами соединены в середине рамы шарнирно, а крепежное плечо первой Г-образной пластины концом закреплено неподвижно к верхней поперечной балке, а крепежное плечо второй Г-образной пластины концом закреплено неподвижно к средней поперечной балке, ремни для крепления голени человека закреплены на длинных стыковочных плечах вторых Г-образных пластин, правый и левый голенные узлы, каждый имеет нижнюю поперечную балку для крепления к стопочному узлу и голенную балку, которая имеет верхний конец для крепления к средней поперечной балке и нижний конец для крепления к нижней поперечной балке, правый и левый стопочные узлы, каждый имеет прямоугольную пластинчатую раму, две треугольные пластинчатые рамки, два поддерживающих основания -правое и левое и ремни для крепления стопы, последние закреплены на обеих сторонах треугольных пластинчатых рамок, поддерживающие основания, каждое выполнено в виде крюкообразной пластины, которая имеет отогнутые борта с трех сторон крюковой части - для правого основания в одну сторону, а для левого в другую, и отогнутые треугольные борта на краях напротив друг друга вдоль продольной прямой части крюкообразной пластины, при этом основания треугольных бортов являются продолжением бортов крюковой части, а вершины расположены на конце продольной части пластины, крюковые части пластины поддерживающих оснований крепятся неподвижно на концах нижней поперечной балки, на коротких противоположных краях пластинчатой прямоугольной рамы поперек закреплены основания треугольных пластинчатых рамок, направленные вершинами в одну сторону, вершины треугольных пластинчатых рамок шарнирно соединены с концами продольных прямых частей крюкообразных пластин таким образом, что их борта расположены напротив друг друга, правый и левый несущие узлы, каждый имеет телескопический узел, шарнирный узел для соединения телескопического узла с голенной балкой голенного узла, и регулировочно шарнирный узел для соединения телескопического узла с бедренной балкой бедренного узла, телескопический узел выполнен в виде штока с поршнем и гильзы с полостью для размещения поршня, шток имеет нижний крепежный стержень, а гильза имеет верхний крепежный стержень, шарнирный узел для соединения телескопического узла с голенной балкой голенного узла имеет нижнюю ось под нижний крепежный стержень штока и П-образный кронштейн для нижней оси, в ножках которого выполнены отверстия для расположения нижнего крепежного стержня штока между ножками, нижняя ось проходит через отверстия в ножках с возможностью поворота крепежного стержня штока на нижней оси, перемычка П-образного кронштейна с наружной стороны неподвижно закреплена к голенной балке голенного узла, регулировочно-шарнирный узел для соединения телескопического узла с бедренной балкой бедренного узла имеет верхнюю ось, платформу с ушками под верхнюю ось, каретку, рельс, регулируемый тормоз, верхняя ось проходит через отверстия в ушках с возможностью поворота верхнего крепежного стержня гильзы на верхней оси, каретка выполнена в виде корпуса, имеющего продольный паз, рельс выполнен с выступом для размещения в продольном пазу каретки с возможностью перемещения каретки относительно рельса, рельс неподвижно закреплен во втором продольном пазу бедренной балки, регулируемый тормоз имеет станину, возвратно-пружинный узел и узел регулировки положения станины относительно бедренной балки, станина выполнена пластинчатой в виде планки с закрепленной на ней перпендикулярно ее плоскости полки, на планке над полкой выполнено отверстие, планка закреплена перпендикулярно с краю на внешней стороне платформы на стороне, ближней к наружной поверхности бедра, узел регулировки положения станины относительно бедренной балки имеет остов, рейку, штырь, рычаг, направляющую втулку под штырь, рейка имеет форму в сечении, идентичную форме сечения четвертого паза в бедренной балке, и продольно расположенные соосные поперечные каналы, рейка закреплена в четвертом пазу бедренной балки неподвижно, штырь имеет один конец крепежный, а другой - замковый, остов имеет основание для крепления к упомянутой полке станины два смежных перпендикулярно расположенных борта - опорный и защитный, опорный борт имеет канал под упомянутую направляющую втулку соосный отверстию в планке упомянутой станины, кроме того, остов имеет на основании стойку напротив упомянутого канала, направляющая втулка под штырь расположена в упомянутых канале и отверстии планки упомянутой станины, штырь установлен в отверстии втулки под штырь и имеет возможность расположения замковым концом в одном из поперечных отверстий рейки, рычаг выполнен из толкающего и передаточного звеньев, толкающее звено выполнено прямым и имеет на одном конце рукоятку, а на другом - шарнирное соединение со стойкой, передаточное звено выполнено Г-образным, направленное вершиной от полки, одним концом шарнирно связанным с крепежным концом штыря, а другим шарнирно связанным с тем концом толкающего звена, которым оно шарнирно соединено со стойкой, возвратно-пружинный узел имеет две пружины растяжения с крюками на концах и два троса, каждый трос имеет на одном конце петлю, а на другом отверстие для крепления к наружным концам верхней оси, каждая пружина одним крюком зацепляется за петлю троса, а другим - располагается в углублении верхней поперечной балки (Патент №198080).
Недостатком данного устройства является сложность конструкции механического привода и его программной реализации.
Известен экзоскелет нижних конечностей, состоящий из каркаса с элементами крепления к туловищу, двух пар тазобедренных и голеностопных рычагов, шарнирно соединенных между собой каркасом и опорами стоп, притом рычаги выполнены в виде пространственных оболочек, размещаемых на передних частях бедер и голеней с возможностью фиксации поддерживающими элементами, отличающийся тем, что каркас выполнен в виде цельного корсета, который фиксируется поясом на теле человека и имеет два электромеханических сервопривода, корпусы которых жестко закреплены на передней нижней части цельного корсета и обеспечивают движение каждого тазобедренного сустава во фронтальной плоскости, при этом выходные валы этих сервоприводов жестко соединены со звеньями, связанными при помощи цилиндрических шарниров с ползунами, которые могут возвратно-поступательно перемещаться вдоль пазов набедренных кронштейнов, связанных с цельным корсетом посредством цилиндрических шарниров и расположенных напротив тазобедренных суставов с внешних сторон бедер, при этом в центре каждого из двух набедренных кронштейнов жестко закреплено по одному корпусу электромеханических сервоприводов, которые обеспечивают движение тазобедренных суставов в сагиттальной плоскости, при этом выходные валы этих сервоприводов напротив тазобедренных суставов с внешних сторон бедер жестко соединены с верхними частями тазобедренных рычагов, притом тазобедренные рычаги имеют встроенные датчики импульсов мускулатуры таза и бедер, роль которых играют емкостные акселерометры, расположенные на внутренней, обращенной к нижним конечностям поверхности тазобедренных рычагов, при этом каждый тазобедренный рычаг фиксируется на бедре нижней конечности посредством поддерживающего элемента бедра, к тому же на нижней части каждого тазобедренного рычага напротив коленных суставов с внешних сторон бедер жестко закреплено по одному корпусу электромеханических сервоприводов, обеспечивающих движение коленных суставов, при этом выходные валы этих сервоприводов напротив коленных суставов с внешних сторон бедер жестко соединены с верхними частями голеностопных рычагов, при этом голеностопные рычаги имеют встроенные датчики импульсов мускулатуры голеней, роль которых играют емкостные акселерометры, расположенные на внутренней, обращенной к нижним конечностям поверхности голеностопных рычагов, вместе с тем каждый голеностопный рычаг фиксируется на голени нижней конечности посредством поддерживающего элемента голени, в дополнение к этому, нижние части тазобедренных рычагов и верхние части голеностопных рычагов соединены посредством цилиндрических шарниров напротив коленных суставов с внутренних сторон бедер, при этом нижние части голеностопных рычагов соединены при помощи цилиндрических шарниров с центральными частями вилок, в нижних частях каждой из которых напротив голеностопного сустава с внешней стороны голени жестко закреплено по одному корпусу электромеханических сервоприводов, обеспечивающих движение каждого голеностопного сустава в сагиттальной плоскости, при этом выходные валы этих сервоприводов жестко соединены напротив голеностопных суставов с внешней стороны голеней с интегрированной обувью, кроме этого, нижние части вилок напротив голеностопных суставов с внутренних сторон голеней и интегрированная обувь соединены посредством цилиндрических шарниров, ко всему прочему на цельный корсет при помощи плечевых ремней надевается ранец с полезной нагрузкой, электронным блоком управления экзоскелетом и блоком аккумуляторов, обеспечивающим электропитание всего устройства, при этом ранец с цельным корсетом электрически соединен посредством внешнего кабеля, а все остальные составные части экзоскелета связаны между собой электрически посредством кабелей, размещенных внутри них (Патент №156507).
Недостатком данного устройства является то, что для осуществления процесса ходьбы, используя экзоскелет, человек должен прикладывать усилия для перемещения своих нижних конечностей.
Недостатком известных экзоскелетов нижних конечностей является также незащищенность колена от травм.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является экзоскелет для облегчения перемещения человеком груза, состоящий из стоп с возможностью передачи нагрузки от груза опорной поверхности, голеней, связывающих узлы стоп и коленей, бедер, при этом связи узлов голеней и бедер содержат настройку под X-образность ног, пояса, пластины поясничного узла, плеч, отличающийся тем, что стопы выполнены в виде U-образной формы с горизонтальной поперечной осью вращения, выполнены с возможностью жесткого закрепления на обуви и имеют скругленные носки с упругими элементами, соединенными с голеностопными узлами, расположенными с тыльной стороны ног, выполненными в виде пары «винт-гайка» и регулирующими высоту каркаса голени, обеспечивая при этом сведение и разведение стопы; каркасы голеней и бедер выполнены в виде спиралей, обтекающих ноги человека, при этом на каждой паре каркасов бедро-голень предусмотрены по два крепежных щитка, один из которых через шаровую опору соединен с каркасом экзоскелета с возможностью вращения; при этом щитки выполнены в виде пространственных оболочек прямоугольной формы с закругленными, облегающими ногу краями и имеют прорези для протягивания ремней, выполненных из неэластичного материала в форме «гармошки» с возможностью линейного удлинения и имеющих амортизирующие прокладки; коленные суставы состоят из пружин, коленных ограничителей и защитных полусфер, являющихся неотъемлемой частью каркаса бедер; тазовые узлы выполнены с возможностью регулировки высоты каркаса бедер и выполнены в виде пар «винт-гайка»; пояс состоит из двух дуг и копчика посередине и выполнен в виде буквы «С», по контуру которого с внутренней стороны пропущен ремень для закрепления его на теле человека, при этом на дугах пояса имеются фланцы для установки дополнительного оборудования, а на копчике установлен поясничный узел, имеющий шарнир, обеспечивающий наклоны туловища «влево-вправо» и вращение вдоль оси позвоночника, а также пластину поясничного узла с закрепленной на ней велкротканью для присоединения и регулировки каркаса спины, который выполнен в виде Т-образной рамы, на концах которой закреплены плечевые дуги, имеющие возможность вращения, и ограничители плечевых дуг для предотвращения складывания их под действием внешней нагрузки, а также лямки для крепления на плечи человека (Патент РФ №202205).
Недостатком ближайшего аналога является то, что данная конструкция не обеспечивает достаточной подвижности, а следовательно, комфорта и безопасности перемещения при повышенной подвижности, а именно в ситуациях, когда человеку наряду с ходьбой требуется перемещение грузов при подъеме и спуске по наклонной поверхности вверх-вниз (например, по лестнице), а также сложность конструкции механического привода.
Техническим результатом, на обеспечение которого направлено заявляемое техническое решение, является безопасное и комфортное использование экзоскелета на теле человека при перемещении грузов в условиях повышенной подвижности благодаря комфортной фиксации коленного сустава и максимальной разгрузке мышц голеней и бедер тела человека.
Технический результат достигается тем, что в экзоскелете нижних конечностей, включающем каркасы голеней и бедер, при этом на каждой паре каркасов бедро-голень предусмотрены крепежные щитки, причем на бедрах по два крепежных щитка, при этом щитки выполнены в виде пространственных оболочек с закругленными, облегающими ногу краями и имеют прорези для протягивания ремней, выполненных из неэластичного материала с возможностью линейного удлинения и имеющих амортизирующие прокладки, защитные полусферы коленных суставов, соединенные шарнирами с каркасом голени, пояс, по контуру которого пропущен ремень для закрепления его на теле человека, лямки для крепления на плечи человека, в отличие от ближайшего аналога на наружной поверхности защитной полусферы коленных суставов установлены эластомеры, верхняя и нижняя часть которых закреплены на нижних частях передних щитков бедер и верхних частях щитков голеней соответственно, на поясе в области поясницы установлены регулировочный узел и два эластомера, соединенные нижними краями с крепежными щитками, установленными на задних частях бедер, кроме того, каркас бедра соединен шарниром с защитной полусферой коленного сустава, на щитках голени и бедра дополнительно установлены ремни, выполненные из эластичного материала, а внутренняя часть щитков и защитной полусферы коленных суставов выполнена из амортизирующего материала.
Принцип работы предлагаемого экзоскелета основан на свойствах эластомеров накапливать и отдавать энергию при работах, связанных с перемещением грузов в условиях повышенной подвижности.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами,
где на фиг. 1 изображен вид сбоку,
на фиг. 2 изображен вид спереди.
Экзоскелет нижних конечностей включает каркас голеней 1 и каркас бедер 2. На каркасе голеней 1 установлены крепежные щитки 3 на передних частях голеней. На каркасе бедер 2 установлены крепежные щитки 4 на передних частях бедер и крепежные щитки 5 на задних частях бедер. Щитки 3, 4, 5 выполнены в виде пространственных оболочек с закругленными, облегающими ногу краями и имеют прорези для протягивания ремней 6, выполненных из неэластичного материала с возможностью линейного удлинения и имеющих амортизирующие прокладки. На щитках голени 3 и щитках бедра 4, 5 дополнительно установлены ремни 7, выполненные из эластичного материала. Защитные полусферы коленных суставов 8 соединены шарнирами 9 с каркасом голени 1 и шарнирами 10 с каркасом бедра 2. На наружной поверхности защитной полусферы коленных суставов 8 установлены эластомеры 11, верхняя и нижняя часть которых закреплены на нижних частях передних щитков бедер 4 и верхних частях щитков голеней 3 соответственно. Внутренняя часть щитков 3, 4, 5 и защитной полусферы коленных суставов 8 выполнена из амортизирующего материала. На поясе 12 в области поясницы установлены регулировочный узел 13 и два эластомера 14, соединенные нижними краями с крепежными щитками 5, установленными на задних частях бедер. По контуру пояса 12 пропущен ремень 15 для закрепления его на теле человека. Для крепления экзоскелета на плечах человека предусмотрены лямки 16. Для предотвращения перетирания и разрушения эластомеров 14 предусмотрены элементы пониженного трения (чехлы защиты).
Экзоскелет нижних конечностей работает следующим образом.
На каждую ногу человека размещают наколенные модули, состоящие из четырех основных элементов: каркаса голени 1, каркаса бедра 2 и защитной полусферы коленных суставов 8, соединенных между собой шарнирами 9, 10, и эластомеров 11. Крепежные щитки 3, 4, 5 закрепляют к голеням и бедрам с помощью ремней 6. На щитках голени 3 и щитках бедра 4, 5 дополнительно установлены ремни 7, выполненные из эластичного материала. Ремни 7 придерживают крепежные щитки 3, 4, 5 и необходимы для компенсации изменения мышечного объема, возникаемого при ходьбе, а также для компенсации смещения наколенного модуля относительно тела человека.
Затем человек надевает на себя пояс 12. Для крепления пояса 12 на теле человека используют ремень 15, пропущенный по контуру пояса 12 с наружной стороны, и фастексную застежку. Дополнительно предусмотрена ременно-плечевая система (лямки) 16, соединенная с поясом 12. На поясе 12 в области поясницы установлены два эластомера 14, которые соединяют нижними краями с крепежными щитками 5, установленными на задних частях бедер. В поясе 12 предусмотрен регулировочный узел 13 для регулировки длины эластомеров 14 под анатомические особенности человека.
При сгибании коленного сустава происходит натяжение эластомера 11, что позволяет накопить потенциальную энергию в эластомере 11, которая способствует снижению нагрузки на мышцы голени и бедра при разгибании коленного сустава.
При сгибании коленного сустава происходит натяжение эластомера 14 поверх ягодичной части тела, что позволяет накопить потенциальную энергию в эластомере 14, которая также способствует снижению нагрузки на мышцы голени и бедра при разгибании коленного сустава.
Предлагаемая конструкция экзоскелета нижних конечностей обеспечивает максимальную подвижность и возможность тонкой регулировки под антропометрические параметры каждого человека. Сочленения и узлы экзоскелета нижних конечностей выполнены таким образом, что их оси вращения совпадают с естественными осями вращения коленных суставов человека, что, в свою очередь, значительно повышает комфорт и безопасность при его эксплуатации.
Предлагаемая конструкция экзоскелета нижних конечностей обеспечивает оптимальный уровень компенсирующих усилий, возникающих при работах, связанных с перемещением грузов в условиях повышенной подвижности.
Таким образом, часть энергии, накопленной в эластомерах 11 и 14, используется для компенсации усилий человека при разгибании коленного сустава. Другими словами, нагрузка на мышцы голеней и бедер уменьшена.
Предлагаемая конструкция экзоскелета нижних конечностей обеспечивает возможность использования экзоскелета для людей с разными анатомическими особенностями, безопасное использование пассивного экзоскелета на теле человека при работе в цехе, повышение комфорта при работе в условиях промышленного предприятия.
Экзоскелет нижних конечностей не содержит каких-либо приводов и источников питания, которые требовали бы время от времени «подзарядки». Поэтому время непрерывной работы такого механизма неограниченно.
Предлагаемая конструкция экзоскелета нижних конечностей проста и имеет невысокую стоимость.
Экзоскелет нижних конечностей может быть использован в автомобильной и тяжелой промышленностях, в машиностроении, при выполнении складских и строительных работ, при оказании сервисных услуг и прочее.