КОСТЫЛЬ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ МОТОРИЗОВАННОГО ЭКЗОСКЕЛЕТА

Полезная модель относится к медицинской технике, в частности к элементам дополнительной опоры - костылям пользователей экзоскелетов и средствам пользовательского управления экзоскелетом в заранее предопределенных режимах движения пользователей с нарушением функций опорно-двигательного аппарата, с ограниченной подвижностью или полной неподвижностью нижних конечностей при нормальном функционировании верхних конечностей и верхней части корпуса. Полезная модель в комплекте с экзоскелетом обеспечивает возможность ходьбы пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата по горизонтальной и наклонной опорной поверхности, а также по лестничным маршам и переход через препятствия, а также может применяться при проведении реабилитационно-восстановительных процедур.
Известны ручные опоры в виде костылей, используемые в комплекте аппарата для передвижения человека с нарушением опорно-двигательных функций совместно с экзоскелетом нижних конечностей, выполненным с возможностью крепления его к ножным конечностям и корпусу тела пользователя. Ручные опоры снабжены органами управления, обеспечивающими управление приводами звеньев экзоскелета и коленными тормозами [US 7998096 В1, опубл. 16.08.2011].
В данном устройстве ручные опоры-костыли соединены с экзоскелетом проводными каналами обмена данными. В нем невозможно обеспечить согласованное движение всех приводов, а само оно может обеспечить движение пользователя только в пошаговом режиме и не может обеспечить ходьбу пользователя, близкую к естественной. Указанные факторы отрицательно влияют на эргономические характеристики устройства в целом.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является костыль пользователя моторизованного экзоскелета, содержащий внешнюю опорную трубу, внутреннюю опорную трубу, установленную во внешней опорной трубе соосно с ней с возможностью продольного перемещения, механизм фиксации внутренней опорной трубы во внешней опорной трубе, предплечье костыля, выполненное в виде трубы и снабженное механизмом регулирования и фиксации высоты предплечья костыля, нижний конец которого жестко соединен с верхним концом внешней опорной трубы, держатель предплечья костыля, жестко смонтированный на верхнем конце предплечья костыля, опорную рукоятку, жестко смонтированную на верхней части внешней опорной трубы и снабженную кнопками «Вкл/Выкл», «Старт/Стоп» и «Режим движения», аккумулятор, смонтированный во внешней опорной трубе, на наружной поверхности которой смонтированы соединенный с аккумулятором разъем подключения к внешнему зарядному устройству и смонтированный на одном из элементов костыля микроконтроллер, первый порт которого подключен к другому концу беспроводного канала связи, второй порт - к кнопке «Вкл/Выкл», третий порт - к кнопке «Старт/Стоп», а четвертый порт - к кнопке «Режим движения» [US 2013/0158445 A1, опубл. 20.06.2013].
Данное техническое решение имеет следующие недостатки:
- отсутствует возможность контроля пользователем заряда аккумуляторов и возможность инструментального подтверждения заданного режима движения, что негативно отражается на безопасности движения пользователя;
- отсутствует автоматическая проверка начального положения пользователя в момент начала движения, что может привести к потере равновесия и падению пользователя;
- отсутствует возможность автоматического аварийного отключения экзоскелета при падении костыля или пользователя;
- отсутствует возможность автоматической блокировки кнопок костыля в горизонтальном положении, которая исключает ложное срабатывание, например, при падении костыля.
Указанные недостатки ограничивают функциональные возможности костыля пользователя моторизованного экзоскелета, что негативно сказывается на безопасности пользователя.
Техническим результатом, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, является расширение функциональных возможностей костыля пользователя моторизованного экзоскелета, обеспечивающих повышение безопасности пользователя.
Для достижения указанного технического результата в костыль пользователя моторизованного экзоскелета, содержащий внешнюю опорную трубу, внутреннюю опорную трубу, установленную во внешней опорной трубе соосно с ней с возможностью продольного перемещения, механизм фиксации внутренней опорной трубы во внешней опорной трубе, предплечье костыля, выполненное в виде трубы и снабженное механизмом регулирования и фиксации высоты предплечья костыля, нижний конец которого жестко соединен с верхним концом внешней опорной трубы, держатель предплечья костыля, жестко смонтированный на верхнем конце предплечья костыля, опорную рукоятку, жестко смонтированную на верхней части внешней опорной трубы и снабженную кнопками «Вкл/Выкл», «Старт/Стоп» и «Режим движения», аккумулятор, смонтированный во внешней опорной трубе, на наружной поверхности которой смонтированы соединенный с аккумулятором разъем подключения к внешнему зарядному устройству и смонтированный на одном из элементов костыля микроконтроллер, первый порт которого подключен к беспроводному каналу связи, второй порт - к кнопке «Вкл/Выкл», третий порт - к кнопке «Старт/Стоп», а четвертый порт - к кнопке «Режим движения», введены установленный на опорной рукоятке дисплей, подключенный к пятому порту микроконтроллера, установленный на одном из элементов костыля трехосевой акселерометр, подключенный к шестому порту микроконтроллера и установленный на внутренней опорной трубе датчик силы реакции опоры, подключенный к седьмому порту микроконтроллера.
При этом беспроводной канал связи содержит приемопередатчик, который смонтирован на одном из элементов костыля и выполнен с возможностью взаимодействия с другим приемопередатчиком, который смонтирован на одном из элементов экзоскелета.
На фиг. 1 и 2 приведен общий вид костыля пользователя моторизованного экзоскелета (вид справа и слева соответственно), а на фиг. 3 - его функциональная схема.
На фиг. 1-3 обозначены:
1 - предплечье костыля;
2 - механизм регулирования и фиксации высоты предплечья костыля;
3 - опорная рукоятка;
4 - дисплей;
5 - кнопка «Старт/Стоп»;
6 - разъем подключения к внешнему зарядному устройству;
7 - кнопка «Вкл/Выкл»;
8 - аккумулятор;
9 - внешняя опорная труба;
10 - фиксатор внутренней опорной трубы во внешней опорной трубе;
11 - внутренняя опорная труба;
12 - датчик силы реакции опоры;
13 - кнопка «Режим движения»;
14 - микроконтроллер;
15 - первый порт микроконтроллера;
16 - второй порт микроконтроллера;
17 - третий порт микроконтроллера;
18 - четвертый порт микроконтроллера;
19 - пятый порт микроконтроллера;
20 - шестой порт микроконтроллера;
21 - седьмой порт микроконтроллера;
22 - приемопередатчик;
23 - трехосевой акселерометр;
24 - беспроводной канал связи;
25 - держатель предплечья пользователя;
26 - костыль.
Костыль 26 пользователя моторизованного экзоскелета содержит внешнюю опорную трубу 9, внутреннюю опорную трубу 11, установленную во внешней опорной трубе 9 соосно с ней с возможностью продольного перемещения, механизм 10 фиксации внутренней опорной трубы 11 во внешней опорной трубе 9, предплечье 1 костыля, выполненное в виде трубы и снабженное механизмом 2 регулирования и фиксации высоты предплечья 1 костыля, нижний конец которого жестко соединен с верхним концом внешней опорной трубы 9, держатель 25 предплечья пользователя, жестко смонтированный на верхнем конце предплечья 1 костыля, опорную рукоятку 3, жестко смонтированную на верхней части внешней опорной трубы 9 и снабженную кнопками «Вкл/Выкл» 7, «Старт/Стоп» 5 и «Режим движения» 13, аккумулятор 8, смонтированный во внешней опорной трубе 9, на наружной поверхности которой смонтированы соединенный с аккумулятором разъем 6 подключения к внешнему зарядному устройству и смонтированный на одном из элементов костыля 26 микроконтроллер 14, первый порт 15 которого подключен к одному концу беспроводного канала 24 связи, второй порт 16 - к кнопке 7 «Вкл/Выкл», третий порт 17 - к кнопке 5 «Старт/Стоп», а четвертый порт 18 - к кнопке 13 «Режим движения», отличающийся тем, что в него дополнительно введены установленный на опорной рукоятке 3 дисплей 4, подключенный к пятому порту 19 микроконтроллера 14, установленный на одном из элементов костыля 26 трехосевой акселерометр 23, подключенный к шестому порту 20 микроконтроллера 14 и установленный на внутренней опорной трубе 11 датчик 12 силы реакции опоры, подключенный к седьмому порту 21 микроконтроллера 14.
При этом беспроводной канал 24 связи содержит приемопередатчик 22, который смонтирован на одном из элементов костыля 26 и выполнен с возможностью взаимодействия с другим приемопередатчиком, который смонтирован на одном из элементов экзоскелета.
Каждому из элементов костыля 26 присущи определенные функции.
Так, такие элементы, как внешняя опорная труба 9, внутренняя опорная труба 11, опорная рукоятка 3 и предплечье 1 костыля 26, в сборе выполняют функции ручной опоры пользователя. При этом размещение внутренней опорной трубы 11 во внешней опорной трубе 9 и возможность ее продольного перемещения соосно с последней, а также наличие в конструкции костыля 26 фиксатора 10 внутренней опорной трубы 11 во внешней опорной трубе 9 и механизма 2 регулирования и фиксации высоты предплечья 1 костыля 26 позволяют осуществлять подстройку продольных размеров костыля 26, в том числе и высоты предплечья 1 костыля 26, под анатомические особенности пользователя.
Аккумулятор 8 обеспечивает электропитание электронных элементов костыля 26.
Кнопки 7 «Вкл/Выкл», 5 «Старт/Стоп» и 13 «Режим движения», расположенные на внешней поверхности опорной рукоятки 3, обеспечивают пользователю возможность управления режимами работы костыля 26, а данные, получаемые в результате обработки сигналов с трехосевого акселерометра 23 и датчика 12 силы реакции опоры, позволяют расширить функциональные возможности костыля 26.
По беспроводному каналу 24 связи через приемопередатчик 22 и другой приемопередатчик осуществляется обмен данными между моторизованным экзоскелетом и костылем 26 о текущем положении пользователя и костыля 26.
На дисплее 4 отображается информация в виде пиктограмм об уровне заряда аккумулятора 8 и о выбранном пользователем одного из ряда заранее предопределенных режимов движения.
Для управления моторизованным экзоскелетом необходимо с помощью костыля 26 выполнить следующие действия.
1. Включить питание костыля 26 кнопкой 7 «Вкл/Выкл».
2. Дождаться появления индикации на дисплее 4, что будет свидетельствовать об установлении связи между костылем 26 и экзоскелетом.
3. Кнопкой 13 «Режим движения» на костыле 26 произвести выбор нужного режима движения; при этом информация о выбранном режиме движения будет отображена на дисплее 4 в виде соответствующей пиктограммы.
4. После выбора требуемого режима движения необходимо нажать кнопку 5 «Старт/Стоп».
В результате на основе данных, получаемых от трехосевого акселерометра 23 и от датчика 12 силы реакции опоры, будет осуществляться анализ положения костыля 26 и анализ положения пользователя. При этом в случае правильности положения костыля 26 и положения пользователя начинается отсчет времени (4 секунды), который индицируется на дисплее 4, после чего запускается выбранный режим движения. В случае запуска ошибочного режима у пользователя в течение этих 4 секунд есть возможность повторно нажать кнопку 5 «Старт/Стоп» для отмены выбранного режима.
Подтверждением заявленного технического результата в части повышения безопасности пользователя является предоставление пользователю следующих дополнительных возможностей за счет расширения функциональных возможностей костыля 26.
1. Включение/выключение питания костыля 26 осуществляется при помощи кнопки 7 «Вкл/Выкл», которая для защиты от случайного нажатия смонтирована под опорной рукояткой 3, что положительно сказывается на безопасности пользователя.
2. Смена режима движения осуществляется либо нажатием на кнопку 13 «Режим движения», либо вращением костыля 26 на 15-20 градусов вокруг вертикальной оси (задействуется трехосевой акселерометр 23).
3. Запуск/остановка экзоскелета осуществляется нажатием кнопки 5 «Старт/Стоп».
4. Защита от случайного срабатывания (например, при падении костыля 26 на пол) осуществляется при помощи трехосевого акселерометра 23; костыль 26 реагирует на нажатие кнопок 5 и 13 управления при отклонении его от вертикальной оси не более чем на 45°, а при отклонении костыля 26 от вертикальной оси более чем на 45°, автоматически отключаются все ранее включенные режимы и управляющие кнопки 5 и 13 блокируются.
5. Информирование пользователя о наличии/отсутствии связи костыля 26 с экзоскелетом 26 производится путем отображения значка режима при подключении на дисплее 4.
6. Информация о выбранном режиме движения отображается на дисплее 4.
7. Информация о заряде аккумулятора 8 отображается на дисплее 4.
8. В случае если пользователь в момент задания режима движения не будет опираться на костыль 26, это будет идентифицировано датчиком 12 силы реакции опоры и выбранный режим не будет активирован, а сам экзоскелет не начнет движение.
9. В случае падения костыля 26 это определяется трехосевым акселерометром 23 и автоматически отключаются все запущенные режимы и блокируются управляющие кнопки 5 и 13.
Таким образом, костыль 26 действительно обладает дополнительными функциональными возможностями, которые положительно сказываются на безопасности пользователя.