АССИСТИРУЮЩИЙ РОБОТ-ТРЕНАЖЕР ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ НОРМАЛЬНОЙ ХОДЬБЫ ЧЕЛОВЕКА

Полезная модель относится к области медицины, а именно к физиотерапии и нейрореабилитации, и может быть использована для восстановления утраченного навыка ходьбы или ее коррекции, физиологически верного уровня у пациентов с последствиями различных диагнозов, в качестве примеров которых могут быть:
- детский церебральный паралич,
- сосудистые патологии головного мозга (включая инсульты),
- последствия черепно-мозговых травм,
- последствия спиральных травм различного характера, в том числе связанных с повреждением спинного мозга,
- последствия нейроинфекций.
Из уровня техники известны различные устройства, подобного назначения.
Например, в качестве наиболее близкого аналога взят источник информации RU 185378 U1, из которого известно устройство для ускоренной реабилитации и адаптации лиц с нарушениями опорно-двигательного аппарата. Данное устройство содержит каркас, изготовленный из металлической прямоугольной трубы и имеющий, в верхней части, две горизонтальные направляющие;
систему вертикального удержания пациента, включающую возможность его передвижения по горизонтальным направляющим; блок, состоящий из 2-х соединенных между собой металлических уголков, в которые встроены шариковые подшипники скольжения, поворачивающийся на 180°, соединенный с уголками, кронштейн, к которому, с помощью резинового шпагата и овального карабина, прикреплен корсет; раскладную асимметричную, встроенную в основание каркаса, лестницу, состоящую из ячеек разного размера, в каждой из которых постелен материал различной жесткости; и встроенную в боковой стене каркаса вертикальную лестницу для упражнений.
Недостатком всего известного уровня техники, и наиболее близкого аналога, в частности, является недостаточная эффективность реабилитационных и восстановительных функций, поскольку ортезы с закрепленными нижними конечностями пациента движутся в фиксированных вертикальных плоскостях. Также недостатком является достаточно большие габариты устройства.
Таким образом, задачей заявленной полезной модели является устранение недостатков известного уровня техники.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявленная полезная модель, является повышение эффективности реабилитационных и восстановительных функций при уменьшении габаритных размеров восстановительного устройства.
Заявленный технический результат полностью достигается совокупностью признаков независимого пункта формулы.
Ассистирующий робот-тренажер для восстановления ходьбы пациента, характеризующийся тем, что содержит неподвижное основание, на котором располагается беговая дорожка, кроме того, на неподвижном основании неподвижно зафиксирована телескопическая штанга системы разгрузки массы тела пациента, на верхнем конце которой зафиксирована консоль с балкой, на которой зафиксированы стропы крепления корсета пациента, при этом на телескопической штанге также закреплена горизонтальная поворотная консоль системы воспроизведения модели моторики нижних конечностей при ходьбе, на которой закреплены ортезы, на которых, в свою очередь, расположены узлы фиксации бедра, голени и стопы пациента, которые выполнены с возможностью воспроизводить анатомию ног пациента от бедренного сустава до стопы, с гидравлическими приводами, при этом горизонтальная поворотная консоль выполнена с возможностью совершения управляемых интеллектуальным модулем управления движений влево и вправо, а также вверх и вниз по эллиптической траектории в вертикальной и горизонтальной плоскостях, подбираемых под каждого пациента в отдельности. На горизонтальной поворотной консоли закреплен отдельный активный динамический привод, выполняющий функцию управления отведением бедра пациента.
Далее более детально заявленная полезная модель поясняется чертежом (фиг. 1), на котором:
1 - неподвижное основание,
2 - телескопическая штанга системы разгрузки массы тела пациента,
3 - консоль системы разгрузки массы тела пациента,
4 - балка системы разгрузки массы тела пациента,
5 -стропы крепления корсета пациента,
6 - горизонтальная поворотная консоль системы воспроизведения модели моторики нижних конечностей при ходьбе,
7 - ортезы,
8 - беговая дорожка.
Заявленный ассистирующий робот-тренажер для восстановления и коррекции ходьбы пациента (далее - робот-тренажер) содержит многоуровневую биоинспирированную ассистирующую кинематику, приводимую электронно-управляемой гидравлической приводной системой, с возможностью создания физиологически верных паттернов трехмерного движения ног пациента, высокоточной разгрузкой массы тела и эффективной организацией коллаборативной модели работы в составе N количества лечебных мест.
Заявленный робот-тренажер содержит:
- неподвижное основание, на котором располагается беговая дорожка,
- систему разгрузки массы тела пациента,
- система воспроизведения модели моторики нижних конечностей при ходьбе,
- систему динамического контроля,
- интеллектуальный модуль управления, взаимодействующий с рабочим местом оператора.
Система разгрузки массы тела пациента содержит вертикальную телескопическую штангу, зафиксированную на неподвижном основании с возможностью вертикального перемещения относительно неподвижного основания, консоль, зафиксированная на верхнем конце вертикальной телескопической штанги, механизм крепления подвеса пациента, включающий балку, фиксируемую на консоли, и стропы, на которых фиксируется, как правило, корсет пациента.
Система воспроизведения модели моторики нижних конечностей при ходьбе содержит горизонтальную поворотную консоль, которая служит основанием для крепления и регулировки гидромеханической части (электронно-управляемая гидравлическая приводная система), в состав которой входит подвижно управляемая система рычагов и шарниров (ортезы).
Горизонтальная поворотная консоль служит для подвеса через подвижные узлы ортезов на необходимом каждому конкретному пациенту уровне, и имеет возможность регулировки по ширине и углу относительно горизонта. Горизонтальная поворотная консоль совершает управляемые движения влево и вправо, а также вверх и вниз по эллиптической траектории в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Ортезы - парная шарнирно-рычажная конструкция, воспроизводящая анатомию ноги пациента от бедренного сустава до стопы, в которой роль мышц (сгибателей-разгибателей) выполняют гидравлические приводы под управлением блока электронно-управляемой гидравлической приводной системой. На ортезах размещены узлы фиксации бедра и голени пациента выше и ниже коленного сустава, а также узлы крепления эластичного подвеса для фиксации стопы в положении, соответствующем ходьбе.
Углы и амплитуда движения рычагов, направление их смещения и углы поворотов шарниров контролируются встроенными датчиками (входят в состав системы динамического контроля) и синхронизируются через интеллектуальный модуль управления между собой и движением горизонтальной поперечной консоли.
Чтобы воспроизвести движение опорно-двигательного аппарата в трехмерном пространстве робот-тренажер с высокой точностью синхронизировано определяет и выполняет:
- расчетные значения движения (направление, углы, амплитуды, скорость и периодичность) бедра и голени во время шага, с учетом анатомического строения конкретного пациента,
- расчетные значения отведения бедра и переноса центра масс тела пациента в сторону опорной ноги.
Так как стопы во время полного касания поверхности под нагрузкой массы тела должны находиться на расстоянии 40-50 мм от срединной линии, а бедро отводится в сторону опорной ноги, то и плоскость, в которой работает ортез, должна изменять свое положение в пространстве - наклоняться в сторону отвода бедра. При этом нога остается фиксированной в ортезе, и ее движение полностью контролируется.
Отведением бедра управляет отдельный активный динамический привод (через передачу на горизонтальной поворотной консоли), точно синхронизированный с двигательным паттерном всей системы. Он сдвигает таз в поперечной плоскости на расчетную величину и приводит в действие сложную трехступенчатую передачу на горизонтальной поворотной консоли, выполняющую пропорциональный наклон рабочих плоскостей ортезов, а также вертикальную поддержку - полную или частичную разгрузку массы тела на опорной ноге за счет активного гидравлического привода, управляющего разгрузкой.
Гидромеханическая часть состоит из совокупности приводных устройств, в которых энергоносителем является гидравлическая жидкость, управляемых электронно-гидравлическими блоками, получающими команды от интеллектуального модуля управления.
Система динамического контроля - это комплекс датчиков, включающий комплекс технического зрения, контроллеров и аналогово-цифровых преобразователей, размещенных на подвижных частях робота-тренажера (ортезы, горизонтальная поперечная консоль и др.).
Датчики в системе контроля разделяются по назначению:
- комплекс технического зрения (стерео/видео пары, блок видео захвата и первичной обработки, блок распознавания и анализа, блок статистики),
- датчики определения положения,
- датчики, измеряющие силу и скорость импульса,
- датчики упругости,
- тензодатчики.
Система динамического контроля напрямую связана с интеллектуальным модулем управления в режиме непрерывной обработки связи, и обеспечивает непрерывное сопоставление фактических значений параметров движения всех подвижных частей и элементов относительно друг друга и в сравнении с заданными параметрами.
Система динамического контроля позволяет оценить собственную двигательную активность пациента; рассчитать уровень активности робота-тренажера (дополнительное усилие и амплитуда движения, создаваемые на подвижных элементах, к которым прикреплены конечности пациента); своевременно осуществить мгновенную полную остановку работы робота-тренажера в случае критически выросшего сопротивления движению ортеза.
Система динамического контроля обеспечивает в режиме реального времени точное изменение параметров и алгоритмов управления отдельными элементами и всей системой в целом, в том числе в формате упреждения изменений за счет самообучение системы.
Интеллектуальный модуль управления представляет собой программно-аппаратный комплекс контроля и управления всеми элементами и системами робота-тренажера, обеспечивающий непрерывную обратную связь в режиме реального времени между роботом-тренажером и пациентом, роботом-тренажером и оператором, в том числе через удаленный доступ.
Интеллектуальный модуль управления функционирует на программном обеспечении, использующем технологии нейро-сетей и распределенных вычислений и позволяющим в режиме реального времени одновременно эффективно управлять до 12 лечебных мест с индивидуальными программами реабилитационных процедур с учетом их индивидуальных физиологических клинических особенностей на основе предписаний врачей и текущего психофизического состояния.
В интеллектуальном модуле управления реализованы решения, основанные на технологиях машинного мышления (искусственный интеллект), обеспечивающие следующие возможности:
- распознавания образов и процессов,
- видео аналитики,
- обучения самообучения системы,
- моделирования и прогнозирования изменений состояния внутренней и внешней среды.
Интеллектуальный модуль управления включает следующие блоки:
- блок получения данных,
- блок контроля состояния,
- блок постановки задачи,
- блок управления шаговыми двигателями,
- блок аналитики и самообучения,
- блок статистики,
- блок внешнего интерфейса.
Блок получения данных реализован на контроллере ARM, имеет 6 каналов приема и 2 выходных канала. Назначение данного блока заключается в обработке поступающей информации с входных датчиков и передача суммированных данных внутренним потребителям. Данный блок обрабатывает информацию на частоте до 120 Гц.
Блок контроля состояния отвечает за получение данных от всех датчиков и системы интерфейса, сохранение вектора состояния в заданных критериях. Данный блок выставляет задания для блока управления шаговыми двигателями.
Блок постановки задачи отвечает за вычисления критических значений и постановку задачи для блока контроля состояния.
Блок управления шаговыми двигателями отвечает за настройку и изменение параметров работы шаговых двигателей в соответствии с заданными параметрами.
Блок аналитики и самообучения отвечает за корректную работу системы управления в следующих ситуациях:
- ввод новых алгоритмов и калибровки всей системы с учетом новых вводных с целью фиксации оптимальных алгоритмов и параметров,
- появление критичных погрешностей из-за износа отдельных элементов оборудования при длительной интенсивной эксплуатации, данный блок позволяет программными средствами компенсировать отклонения и/или своевременно проинформировать оператора об угрозе серьезных неисправностей. В критически важных случаях обеспечивает полную остановку системы до исправления поломки-неисправности.
Блок статистики отвечает за накопленные и структурирование статистических данных об изменениях внутренней среды и состоянии пациентов.
Блок внешнего интерфейса предназначен для отображения информации на экране компьютера о состоянии системы, состоянии пациента, постановки задачи для работы, отслеживания критичных их изменений, просмотра статистики.
Интерфейс управления выделен в отдельный сегмент и может быть выведен на удаленное рабочее место.
В заявленном устройстве сами ортезы и вся активная часть робота совершает сложное трехмерное перемещение, вовлекая ноги и тело пациента в воспроизведение физиологически естественного процесса ходьбы, причем параметры перемещений всех подвижных элементов вычисляются с учетом индивидуальных физиологических особенностей пациентов и устанавливаются врачом. При этом в головном мозгу пациента центр, отвечающий за процесс прямохождения, восстанавливается в режиме обратной связи паттерн нормальной ходьбы.
Система разгрузки массы тела поддерживает заданный врачом/оператором уровень усилия, передаваемого на стопу пациента во время полного касания стопой пятна контакта на опорной поверхности. Уровень нагрузки может равняться как полной массе пациента (но не превышать ее), так и не обеспечивать разгрузку полностью. В зависимости от программы тренировки система разгрузки массы тела изменяет этот уровень в процессе занятия на одной конечности или на обеих конечностях (на каждой со своим значением).
Пример: если масса тела пациента 80 кг, пациент может опереться на дорожку с усилием в 40 кг при разгрузке равной 50%. Когда это усилие критично вырастет, система разгрузки массы тела немедленно приподнимает пациента над опорой, разгружая стопу. То есть, пациент и система воспроизведения модели нормальной моторики нижних конечностей при ходьбе, в которой он закреплен, находится в динамически подвешенном положении.
За усилиями системы разгрузки массы тела следит тензодатчик, информация от которого через аналогово-цифровой преобразователь поступает в интеллектуальный модуль управления, который передает скорректированные алгоритмы на привод системы разгрузки массы тела.
В качестве привода системы разгрузки массы тела может использоваться гидросиловой привод, или грузопротивовесовый привод, или электромеханический привод.
Заявленная полезная модель является новой, поскольку совокупность ее существенных признаков не известна из уровня техники, и, соответственно, отвечает условию патентоспособности "новизна".
Заявленная полезная модель отвечает условию патентоспособности "промышленная применимость", поскольку она может использоваться в промышленности.
Хотя настоящая полезная модель была раскрыта со ссылкой на предпочтительные варианты ее осуществления, это не предназначено для ограничения настоящей полезной модели, специалисты с общими знаниями в данной области техники настоящей полезной модели могут модифицировать и осуществить ее, не отступая от идеи и объема полезной модели, следовательно, объем охраны настоящей полезной модели должен регулироваться объемом, заданным в формуле полезной модели.