ПАССИВНЫЙ ЭКЗОСКЕЛЕТ

Полезная модель относится к устройствам, облегчающим перемещение грузов и предназначенным для усиления физических возможностей человека и повышения безопасности при работе в условиях тяжелого физического труда.
Из уровня техники известно устройство для лечения больных с последствиями поражениями центральной нервной системы и с повреждением опорно-двигательного аппарата (см. патент RU №2165752 на изобретение, опубл. 27.04.2001).
Устройство состоит из отдельных модулей, выполненных с возможностью самостоятельного использования. Первый модуль представляет собой реклинатор, выполненный в виде изогнутой ленты, первые концы которой соединены между собой, а вторые концы закреплены на этой ленте с образованием двух лямок для размещения на плечах пользователя. Второй модуль представляет собой корригирующий корсет, приспособленный для коррекции позвоночника без нагрузки. Третий модуль представляет собой корригирующее приспособление для нижних конечностей, содержащее по меньшей мере одну первую часть, представляющую собой комплексный бандаж бедра и голени, имеющий две гибкие полосы для фиксации соответственно над коленным суставом и под коленным суставом, по меньшей мере одну вторую часть, представляющую собой корригирующее приспособление для голеностопного сустава и пальцев ноги, имеющее первую и вторую гибкие полосы для размещения соответственно на лодыжке и стопе, и по меньшей мере одну третью часть, представляющую собой единый мысково-подошвенный элемент. При этом устройство может иметь четвертый модуль, содержащий по меньшей мере одну первую часть, представляющую собой комплексный бандаж плеча и предплечья, имеющий две гибкие полосы для фиксации соответственно над локтевым суставом и под локтевым суставом, и по меньшей мере одну вторую часть, представляющую собой единый корригирующий элемент для ладони и большого пальца руки.
Известное устройство не предназначено для переноски тяжестей (груза), используется только в медицине. Кроме того, экзоскелет имеет сложную конструкцию в виде отдельных модулей.
Известен экзоскелет пассивный, который состоит из: стоп, выполненных в виде стремя - подобных узлов с возможностью передачи нагрузки от груза опорной поверхности, голеней, выполненных в виде регулируемых по длине рычагов, связывающих узлы стоп и коленей, при этом колени выполнены в виде скоб с горизонтальной, поперечной осью вращения, связи узлов голеней и бедер и содержат настройку под Х-образность ног, стяжек на голенях, охватывающих голени человека, при этом бедра выполнены в виде регулируемых по длине рычагов, связывающих узлы коленей и пояса, при этом пояс выполнен в виде коромысло-образной детали, подобной тазовым костям человека, с двух сторон которой крепится бедренные рычаги, а посередине - рессора спины в виде плоской балки прямоугольного сечения, передающей нагрузку от плечей и грузового крюка к поясу, при этом плечи выполнены в виде пространственных деталей, по форме напоминающих отложенный ворот шубы и воспринимающих нагрузку от положенного на плечи груза и передающих нагрузку на спинную рессору, при этом крюк грузовой выполнен с функцией сброса груза и возможностью крепления грузов с помощью подвеса из системы ремней и передачи нагрузки от веса груза на спинную рессору. (Патент РФ №189468, опубл. 23.05.2019)
Недостатком данного экзоскелета является то, что рессора эффективно работает только в одной плоскости и не вносит существенной разгрузки в ситуациях, когда вектор нагрузки направлен под углом к плоскости рессоры, как, например, при наклонах в сторону и перекладывании груза.
Из уровня техники известен грузовой экзоскелет, который содержит каркас с элементами крепления к туловищу, две пары тазобедренных и голеностопных рычагов. Каркас состоит из плечевого блока в виде комбинации X-образно соединенных пластин, Г-образно изогнутых на концах, и соединенного с ним спинным карданным узлом через две опорные площадки поясничного блока, состоящего из пояса-коромысла, изогнутого по форме поясничной области тела человека, где в верхней серединной точке коромысла крепится опорная площадка спинного кардана, а концы коромысла с элементами крепления колец карданов опущены и находятся на уровне тазобедренных суставов. Соединение пространственных оболочек тазобедренных рычагов с каркасом осуществляется посредством кольцевых карданов с двумя степенями свободы поворота тазобедренных рычагов, основания которых через угловые консоли связаны с площадками скольжения, установленными на пространственных оболочках тазобедренных рычагов, с возможностью перемещения консоли по дуговым направляющим площадок при изменении угла между каркасом и пространственными оболочками тазобедренных рычагов, при этом соединение опорных площадок с вилкой голеностопа выполнено разъемным. (Патент РФ №2563209, опубл. 10.10.2014)
Недостатками данной конструкции является сложность конструкции и большой вес, ограничение подвижности, недостаточная эффективность при наклонах в сторону и перекладывании груза.
Известен экзоскелет, который содержит по меньшей мере три взаимосвязанные секции: секцию туловища, секцию тазобедренного сустава и секции нижних конечностей. Каждая из секций состоит из множества взаимосвязанных жестких элементов, которые формируют несущую конструкцию экзоскелета. Когда пользователь носит экзоскелет, нагрузка, обычно переносимая на голове, шее и/или туловище пользователя, по меньшей мере частично воспринимается и передается на опорную поверхность экзоскелетом, таким образом уменьшая нагрузку, эффективно воспринимаемую самим пользователем. Секции нижних конечностей экзоскелета также выполнены с возможностью обеспечить расположение несущего окончательного местоположения на внутренней стороне ступни в соответствии с биомеханикой тела человека. Кроме того, плечевой и позвоночный элементы взаимосвязаны при помощи упругих элементов для обеспечения возможности позвоночному узлу сжиматься или растягиваться под нагрузкой и для обеспечения возможности позвоночному узлу соответственно следовать за движениями туловища пользователя, (патент РФ №2696631, опубл. 15.08.2019).
Недостатком данной конструкции является сложность и вес узлов, увеличивающих массу устройства, ограничение подвижности, а также невысокая эффективность при поднятии груза с пола.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту по совокупности признаков является пассивный экзоскелет, выполненный в виде корсета, соединяющего грудную и поясничную опоры, и снабженный опорной пластиной в области позвоночника, расположенной между грудной и поясничной опорами и выполненной с расширением до упора с осью правой и левой лопатки, а также внутренней и наружной рессорами, жестко закрепленными с опорной пластиной и установленными в области поясничной опоры, кроме того, он дополнительно снабжен поясом с застежкой, соединенным с поясничной опорой, а также двумя эластомерами, соединенными Х-образно на спине с нагрудными регулирующими стропами и задней частью опор для бедер. (Патент №194544, опубл. 13.12.2019).
К недостаткам данной конструкции относятся:
- опасность зацепа наружной рессоры за подвижные части механизмов при работе на производственных площадках;
- недостаточная разгрузка плечевого пояса спины и значительное компрессионное воздействие на позвоночник при работе с активными наклонами;
- отсутствие возможности регулировки размеров экзоскелета в зависимости от анатомических особенностей людей;
- низкая воздухо- и влагопроницаемость экзоскелета;
- сложность конструкции.
Целью и задачей создания полезной модели является охрана труда и здоровья людей, занятых поднятием и переноской тяжелых грузов или оборудования в опасных и «вредных» условиях труда и ситуациях, где использование дополнительных средств механизации и внешних источников энергии затруднено или невозможно.
Техническим результатом заявленной полезной модели является безопасное использование пассивного экзоскелета на теле человека при работе в условиях производства.
Технический результат достигается тем, что в пассивном экзоскелете, включающем корсет, соединяющий грудную и поясничную опоры, опору для бедер, опорную пластину в области позвоночника, расположенную между грудной и поясничной опорами и выполненную с расширением до упора с осью правой и левой лопатки, пояс с застежкой, соединенный с поясничной опорой, нагрудные регулирующие стропы, два эластомера, выполненные X-образно на спине и соединенные с задней частью опор для бедер, в отличие от ближайшего аналога между эластомерами и нагрудными регулирующими стропами установлены стропы, один конец каждой из которых жестко закреплен соответственно в правом и левом углах верхней части опорной пластины, а другой конец через блок, установленный в верхней части эластомеров, соединен с нагрудными регулирующими стропами, также установлены наплечные и нагрудные размерные регуляторы, а с внутренней стороны корсета в области опорной пластины установлены подушки из мягкого перфорированного материала, кроме того, опорная пластина выполнена перфорированной с U-образным изгибом в области поясничной опоры, причем, нижняя часть опорной пластины выходит за плоскость спины.
Сущность предлагаемой конструкции пассивного экзоскелета заключается в следующем.
Пассивный экзоскелет выполнен как поддерживающий грудо-поясничный корсет. Принцип работы предлагаемого пассивного экзоскелета основан на свойствах эластомеров и упругой опорной пластины с U-образным изгибом в области поясничного отдела позвоночника накапливать потенциальную энергию при их растяжении и изгибе во время наклона человека с грузом и без груза и возврате кинетической энергии при подъеме. Данное решение обладает рядом существенных преимуществ, необходимых при физических нагрузках. Установленная опорная пластина, учитывающая анатомические особенности строения тела человека, при наклоне изгибается, накапливая часть энергии, которая используется в дальнейшем при разгибании корпуса человека, способствует снижению нагрузки на суставы поясничного отдела позвоночника и уменьшает нагрузку на мышцы этой зоны. Наличие эластомеров обеспечивает плавность при разгибании человека и дополнительное усилие.
Опорная пластина выполнена с расширением в верхней части и ее сужением в поясничной области, а также с U-образным изгибом в области поясничного отдела позвоночника, способствующим сохранению правильной осанки во время работы. При этом, нижняя часть опорной пластины выходит за плоскость спины, создавая упругий элемент в виде плоскости в нижней части пластины. Конструкция опорной пластины обеспечивает безопасную работу людей при работе с активными наклонами на производственных площадках. Кроме того, опорная пластина выполнена перфорированной, а с внутренней стороны корсета в области опорной пластины установлены подушки из мягкого перфорированного материала. Это обеспечивает лучшую воздухо- и влагопроницаемость пассивного экзоскелета и обеспечивает комфорт при работе в условиях промышленного предприятия.
Между эластомерами и нагрудными регулирующими стропами установлены две стропы, один конец каждой из которых жестко закреплен соответственно в правом и левом углах верхней части опорной пластины, а другой конец через блок, установленный в верхней части эластомеров, соединен с нагрудными регулирующими стропами. Это позволяет распределить нагрузку при наклонах, при этом разгружается плечевой пояс человека и снижается компрессионное воздействие на позвоночник. Для возможности использования пассивного экзоскелета для людей с разными анатомическими особенностями установлены наплечные и нагрудные размерные регуляторы.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где
на фиг. 1 изображен вид спереди;
на фиг. 2 изображен вид сзади;
на фиг. 3а изображена динамическая модель пластины и эластомеров в положении стоя;
на фиг. 3б изображена динамическая модель пластины и эластомеров при наклонах.
Пассивный экзоскелет выполнен в виде корсета 1, соединяющего грудную 2 и поясничную опору 3. Корсет 1 снабжен опорной пластиной 4 (фиг. 3а) в области позвоночника, расположенной между грудной 2 и поясничной 3 опорами. Опорная пластина 4 выполнена с расширением до упора с осью правой и левой лопатки и ее сужением в поясничной области. Кроме того, опорная пластина 4 выполнена с U-образным изгибом в области поясничной опоры 3, нижняя часть 5 (фиг. 3а) опорной пластины 4 выходит за плоскость спины 6 (фиг. 3а). С внутренней стороны корсета 1 установлены подушки 7 из мягкого перфорированного материала. На опорной пластине 4 выполнена перфорация 8 (фиг. 3а). Для использования корсета 1 для людей с разными анатомическими особенностями установлены наплечные 9 и нагрудные 10 размерные регуляторы. Две стропы 11 одним концом жестко закреплены соответственно в правом и левом углах верхней части опорной пластины 4, а другим концом через блок 12, установленный в верхней части эластомеров 13, соединены с нагрудными регулирующими стропами 14. Эластомеры 13 установлены Х-образно, и нижние концы эластомеров закреплены на задней части опоры для бедер 15. Пояс 16 фиксирует поясничную опору 3 пассивного экзоскелета на правильной рабочей позиции и застегивается спереди с помощью прочной износостойкой застежки 17.
Используется предлагаемый пассивный экзоскелет следующим образом. В корсет 1 с подушками 7 из мягкого перфорированного материала, соединяющий грудную 2 и поясничную опору 3, устанавливают опорную пластину 4 в области позвоночника. Две стропы 11 одним концом жестко закрепляют соответственно в правом и левом углах верхней части опорной пластины 4, а другим концом через блок 12, установленный в верхней части эластомеров 13, соединяют с нагрудными регулирующими стропами 14. Эластомеры 13 устанавливают Х-образно, и нижние концы закрепляют на задней части опоры для бедер 15.
Затем производят регулировку корсета 1 под анатомические особенности оператора с помощью наплечных 9 и нагрудных 10 размерных регуляторов, выполненных, например, в виде наложенных друг на друга лямок с контактным соединением.
После экипировки пассивного экзоскелета следует отрегулировать преднатяжение системы эластомеров 13 под параметры поднимаемого груза с помощью нагрудных регулирующих строп 15. Для предотвращения перетирания и разрушения эластомеров 13 предусмотрены элементы пониженного трения (чехлы защиты).
При наклоне человека первоначально включаются в работу опорная пластина 4, создающая возвратное действие за счет U-образного изгиба в поясничной области и крепления эластомеров 13. При наклоне нижняя часть 5 опорной пластины 4 изгибается за счет воздействия тела и эластомеров 13, накапливая энергию, которая используется в дальнейшем при разгибании корпуса человека. Далее при наклоне на больший угол или при приседании при работе усиливается воздействие эластомеров 13, которые, растягиваясь относительно спины, оказывают опорное воздействие на нижнюю часть 5 опорной пластины 4, накапливая энергию. Система, состоящая из двух строп 11, блока 12, установленного в верхней части эластомеров 13, и нагрудных регулирующих строп 14 и X-образная схема крепления эластомеров 13 позволяет снизить нагрузки на плечевой пояс человека и компрессионное воздействие на позвоночник при работе с активными наклонами.
Предлагаемая конструкция пассивного экзоскелета обеспечивает оптимальный уровень компенсирующих усилий, возникающих при работе с активными наклонами и поворотах торса относительно вертикальной оси. Таким образом, часть энергии, накопленной в опорной пластине 4 и эластомерах 13, используется для компенсации усилий человека при разгибании. Другими словами, при наклонах нагрузка на плечи, мышцы спины, позвонки и связки уменьшена. Модульное воздействие от накопленной энергии в опорной пластине 4 и эластомерах 13 позволяет на 30-47% разгрузить человека при поднятии груза с пола. Предлагаемая конструкция пассивного экзоскелета с повышенной воздухо- и влагопроницаемостью обеспечивает возможность использования экзоскелета для людей с разными анатомическими особенностями, безопасное использование пассивного экзоскелета на теле человека при работе в цехе в условиях ограниченного пространства, повышение комфорта при работе в условиях промышленного предприятия.
Кроме того, пассивный экзоскелет оказывает «дисциплинирующее» действие и формирует правильную осанку при активной работе. Этот фактор является одним из ключевых и позволяет уменьшить негативное влияние на поясничный отдел.
Пассивный экзоскелет не содержит каких-либо приводов и источников питания, которые требовали бы время от времени «подзарядки». Поэтому время непрерывной работы такого механизма неограниченно.
Предлагаемая конструкция пассивного экзоскелета проста и имеет невысокую стоимость.
Предлагаемый пассивный экзоскелет может найти применение в металлургии, машиностроении, строительстве, МЧС, и в других отраслях, где требуется работа с грузом и активными наклонами.