Экзоскелет нижних конечностей
EXOSKELETON OF LOWER EXTREMITIES

Изобретение относится к области жизнеобеспечения человека. Экзоскелет предназначен для реабилитации людей с нарушенным опорно-двигательным аппаратом, и может найти военное применение и применение при ликвидации чрезвычайных ситуаций.
Известны экзоскелеты, реализующие идею разгрузки человека, содержащие каркас с элементами крепления к туловищу, рычаги, шарнирно соединенные между собой, например RU №№2116063, 2200529, 2110243, 2362598 и др.
Однако они не обеспечивают автономную ходьбу человека с нарушенным опорно-двигательным аппаратом.
Известен также экзоскелет нижней конечности, содержащий тазовое звено, бедренное звено, голенное звено и нижнее звено в виде стопы, шарнирные соединения соответствующих смежных звеньев, выполненные с возможностью их поворота в сагиттальной плоскости, элементы крепления к частям тела пользователя, установленные на каждом из звеньев (см. RU №156507, А62В 99/00, А61Н 3/00, 2015).
Недостатком данного устройства является конструктивная сложность и малая взаимозаменяемость узлов устройства. Кроме того, при использовании устройства для реабилитации людей с нарушенным опорно-двигательным аппаратом устройство не обеспечивает достаточную устойчивость. Все это снижает эксплуатационную эффективность устройства.
Задача изобретения: усовершенствование устройства с целью увеличения его эксплуатационной эффективности.
Технический результат, проявляющийся при решении заявленной технической задачи выражается в снижении конструктивной сложности и повышении взаимозаменяемости узлов устройства, а также в обеспечении достаточной устойчивости при использовании устройства для реабилитации людей с нарушенным опорно-двигательным аппаратом за счет использования костылей.
Для решения заявленной технической задачи, экзоскелет нижней конечности, содержащий тазовое звено, бедренное звено, голенное звено и нижнее звено в виде стопы, шарнирные соединения соответствующих смежных звеньев, выполненные с возможностью их поворота в сагиттальной плоскости, элементы крепления к частям тела пользователя, установленные на каждом из звеньев, отличается тем, что тазовое звено выполнено в виде каркаса, содержащего параллельные стенки, скрепленные шпильками с гайками, при этом, приводной шаговый электродвигатель жестко и съемно закреплен на внешней стенке каркаса, с возможностью вращения закрепленного на его валу первого зубчатого шкива, который, посредством зубчатого ремня образует понижающую передачу с передаточным числом 1:4 со вторым зубчатым шкивом, жестко зафиксированным на верхнем валу, установленном с возможностью вращения в полости каркаса, причем, на верхнем валу жестко закреплена первая шестерня, установленная в зацеплении с третьим зубчатым шкивом, жестко зафиксированным на среднем валу, установленном с возможностью вращения в полости каркаса, с образованием второй понижающей передачи с передаточным числом 1:3,3, кроме того, на среднем валу жестко закреплена вторая шестерня, установленная в зацеплении с первым зубчатым сектором, жестко зафиксированным на нижнем валу, установленном с возможностью поворота в полости каркаса тазового звена, с образованием третьей понижающей передачи с передаточным числом 1:5,14, при этом, концы нижнего вала жестко скреплены с верхним концом бедренного звена экзоскелета, причем, бедренное звено экзоскелета, выполнено подобно тазовому звену, содержит аналогичный приводной электродвигатель жестко и разъемно закрепленный на внешней стенке подобного каркаса и три аналогичных понижающих передачи, причем на нижнем валу бедренного звена жестко закреплен верхний конец голенного звена и второй зубчатый сектор, в зацеплении с соответствующей шестерней среднего вала, кроме того, бедренное звено шарнирно подвешено под тазовым звеном с возможностью поворота в сагиттальной плоскости, при этом, нижний конец голенного звена шарнирно связан со стопой. Кроме того, источник питания электродвигателей и блоки управления размещены в наспинном ранце. Кроме того, голенное звено выполнено с возможностью регулирования длины. Кроме того, узел управления выполнен в виде джойстика, смонтированного на локтевом костыле, сообщенного посредством радиоканала с блоками управления.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков формулы изобретения обеспечивает снижение конструктивной сложности и повышение взаимозаменяемости узлов устройства, а также достаточную устойчивость при использовании устройства для реабилитации людей с нарушенным опорно-двигательным аппаратом за счет использования костылей, при этом признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи:
Признаки «тазовое звено выполнено в виде каркаса, содержащего параллельные стенки, скрепленные шпильками с гайками» обеспечивают снижение веса каркаса и легкий доступ к узлам его заполняющим.
Признаки, указывающие, что «приводной шаговый электродвигатель жестко и съемно закреплен на внешней стенке каркаса» обеспечивают передачу вращения на редуктор, сформированный в полости каркаса и ревизию двигателя при необходимости.
Признаки, указывающие, что приводной шаговый электродвигатель установлен «с возможностью вращения закрепленного на его валу первого зубчатого шкива» обеспечивают возможность передачи вращения на последующие валы редуктора.
Признаки, указывающие, что первый зубчатый шкив «посредством зубчатого ремня образует понижающую передачу с передаточным числом 1:4 со вторым зубчатым шкивом, жестко зафиксированным на верхнем валу, установленном с возможностью вращения в полости каркаса» образуют первую понижающую передачу редуктора.
Признаки, указывающие, что «на верхнем валу жестко закреплена первая шестерня, установленная в зацеплении с третьим зубчатым шкивом, жестко зафиксированным на среднем валу, установленном с возможностью вращения в полости каркаса, с образованием второй понижающей передачи с передаточным числом 1:3,3» образуют вторую понижающую передачу редуктора.
Признаки, указывающие, что «на среднем валу жестко закреплена вторая шестерня, установленная в зацеплении с первым зубчатым сектором, жестко зафиксированным на нижнем валу, установленном с возможностью поворота в полости каркаса тазового звена, с образованием третьей понижающей передачи с передаточным числом 1:5,14» образуют третью понижающую передачу редуктора и обеспечивают возможность поворота бедренного звена.
Признаки, указывающие, что «концы нижнего вала жестко скреплены с верхним концом бедренного звена экзоскелета» обеспечивают подъем или опускание бедренного звена, относительно тазового звена при соответствующем повороте первого зубчатого сектора.
Признаки, указывающие, что «бедренное звено экзоскелета, выполнено подобно тазовому звену, содержит аналогичный приводной электродвигатель жестко и разъемно закрепленный на внешней стенке подобного каркаса и три аналогичных понижающих передачи» обеспечивают взаимозаменяемость узлов и деталей тазового и бедренного звеньев экзоскелета.
Признаки, указывающие, что «на нижнем валу бедренного звена жестко закреплен верхний конец голенного звена и второй зубчатый сектор, в зацеплении с соответствующей шестерней среднего вала» обеспечивают поворот голенного звена и передачу поворотного движения от среднего вала бедренного звена на второй зубчатый сектор.
Признаки, указывающие, что «бедренное звено шарнирно подвешено под тазовым звеном с возможностью поворота в сагиттальной плоскости» обеспечивают возможность поворота бедренного звена относительно тазового.
Признаки, указывающие, что «нижний конец голенного звена шарнирно связан со стопой» обеспечивают движение стопы.
Признаки, указывающие, что «источник питания электродвигателей и блоки управления размещены в наспинном ранце» обеспечивают свободу рук, для пользующегося экзоскелетом.
Признаки, указывающие, что «голенное звено выполнено с возможностью регулирования длины» позволяют «подогнать» его длину под конкретного пользователя.
Признаки, указывающие, что «узел управления выполнен в виде джойстика, смонтированного на локтевом костыле, сообщенного посредством радиоканала с блоками управления» упрощают управление устройством.
На фиг. 1 показан общий вид экзоскелета в сборе (без защитных чехлов); на фиг. 2 показано устройство в процессе его использования; на фиг. 3 показана схема редуктора тазового звена; на фиг. 4 показан поперечный разрез через корсет.
На чертежах показан экзоскелет нижней конечности, содержит тазовое звено 1, бедренное звено 2, голенное звено 3 и нижнее звено в виде стопы 4, крепление 5 тазового звена, крепление 6 бедренного звена, крепление 7 голенного звена, крепление 8 стопы, параллельные стенки 9, скрепленные шпильками с гайками 10, приводной шаговый электродвигатель 11, его вал 12, первый зубчатый шкив 13, зубчатый ремень 14, второй зубчатый шкив 15, верхний вал 16, первая шестерня 17, третий зубчатый шкив 18, средний вал 19, вторая шестерня 20, первый зубчатый сектор 21, нижний вал 22, верхние концы 23 стенок бедренного звена 2. Кроме того, каркас бедренного звена экзоскелета, содержит второй приводной шаговый электродвигатель 24, его вал 25, первый бедренный зубчатый шкив 26, второй зубчатый ремень 27, второй бедренный зубчатый шкив 28, верхний бедренный вал 29, первая бедренная шестерня 30, третий бедренный зубчатый шкив 31, средний бедренный вал 32, вторая бедренная шестерня 33, второй зубчатый сектор 34, нижний бедренный вал 35, верхний конец 36 голенного звена 3, джойстик 37 узла управления, локтевой костыль 38, наспинный ранец 39, ниша 40, для фиксации П-образной траверсы 41 крепления 5 тазового звена, зафиксированного на корсете 42, одеваемом на тело пользователя 43. Крепления 6 бедренного звена, крепления 7 голенного звена и крепление 8 стопы выполнены в виде ременных охватов.
Экзоскелет нижней конечности, содержит тазовое звено 1, бедренное звено 2, голенное звено 3 и стопу 4, соединения соответствующих смежных звеньев, выполнены шарнирными, с возможностью их поворота в сагиттальной плоскости, элементы крепления (5-8) к частям тела пользователя, установлены на каждом из звеньев.
При этом, тазовое звено 1 выполнено в виде каркаса, содержащего параллельные стенки 9, скрепленные шпильками с гайками 10. Приводной шаговый электродвигатель 11 жестко и съемно закреплен на внешней стенке каркаса (не прилегающей к телу пользователя), с возможностью вращения закрепленного на его валу 12 первого зубчатого шкива 13, который, посредством зубчатого ремня 14 образует понижающую передачу с передаточным числом 1:4 со вторым зубчатым шкивом 15, жестко зафиксированным на верхнем валу 16, установленном с возможностью вращения в полости каркаса, причем, на верхнем валу 16 жестко закреплена первая шестерня 17, установленная в зацеплении с третьим зубчатым шкивом 18, жестко зафиксированным на среднем валу 19, установленном с возможностью вращения в полости каркаса, с образованием второй понижающей передачи с передаточным числом 1:3,3. Кроме того, на среднем валу 19 жестко закреплена вторая шестерня 20, установленная в зацеплении с первым зубчатым сектором 21, жестко зафиксированным на нижнем валу 22, установленном с возможностью поворота в полости каркаса тазового звена 1, с образованием третьей понижающей передачи с передаточным числом 1:5,14. Концы нижнего вала 22 жестко скреплены с верхними концами 23 стенок бедренного звена 22 экзоскелета.
Бедренное звено экзоскелета, выполнено подобно тазовому звену, содержит аналогичный приводной электродвигатель 24 жестко и разъемно закрепленный на внешней стенке подобного каркаса и три аналогичных понижающих передачи, причем на нижнем валу 35 бедренного звена 2 жестко закреплен верхний конец голенного звена 3 и второй зубчатый сектор 34, в зацеплении с шестерней 33 среднего вала 32, кроме того, бедренное звено 2 шарнирно подвешено под тазовым звеном 1 с возможностью поворота в сагиттальной плоскости, при этом, нижний конец голенного звена 3 шарнирно связан со стопой 4. Кроме того, источник питания электродвигателей и блоки управления (на чертежах не показаны) размещены в наспинном ранце 39. Кроме того, голенное звено 3 включает полые балки, телескопически размещенные одна в другой, в стенках которых выполнены ряды отверстий и стопорный болт проходящий через них, что обеспечивает возможность регулирования длины. Кроме того, узел управления выполнен в виде джойстика 37, смонтированного на локтевом костыле 38, сообщенного посредством радиоканала с блоками управления.
Функционирование тазового 1 или бедренного 2 звеньев экзоскелетов осуществляется при помощи приводного шагового электродвигателя, соответственно, 11 и 24 (двигатель шаговый биполярный PL57H110-D8-57×110 мм, крутящий момент - 28 кг. см, вал 8 мм, ток 2.6А, шаг 1.8°), передающего крутящий момент на вал 12, с закрепленным на нем первым зубчатым шкивом 13. Далее через зубчатый ремень 14, передающий крутящий момент на второй зубчатый шкив 15 (передаточное отношение 1:4) и верхний вал 16. Затем, крутящий момент с первой шестерни 17 верхнего вала 16 передается на, третий зубчатый шкив 18, среднего вала 19, вторая шестерня 20 которого находится в зацеплении с первым зубчатым сектором 21, нижнего вала 22, В результате, поскольку нижний вал 22, свободно пропущен (с возможностью вращения) через параллельные стенки 9 тазового звена 1, а его концы жестко скреплены с верхними концами 23 стенок бедренного звена 22 экзоскелета, при повороте нижнего вала 22 происходит поворот бедренного звена 2 относительно тазового звена 1 (бедренное звено 2 «поднимается» относительно опорной поверхности).
Срабатывание узлов бедренного звена 2 осуществляется по сходной схеме, при этом приводной шаговый электродвигатель 24, жестко и разъемно закрепленный на внешней стенке 23 каркаса бедренного звена 2 передает крутящий момент на вал 25, с закрепленным на нем первым бедренным зубчатым шкивом 26. Далее, второй зубчатый ремень 27, передает крутящий момент на второй бедренный зубчатый шкив 28 закрепленный на верхнем бедренном валу 29, второй бедренный зубчатый шкив 28 (передаточное отношение 1:4). Затем, крутящий момент с первой бедренной шестерни 30 верхнего бедренного вала 29 передается на, находящийся с ней в зацеплении третий бедренный зубчатый шкив 31, на средний бедренный вал 32, вторая бедренная шестерня 33 которого находится в зацеплении со вторым зубчатым сектором 34, нижнего бедренного вала 35, на котором жестко закреплен верхний конец 36 голенного звена 3. Таким образом, при повороте нижнего бедренного вала 35 происходит поворот голенного звена 3 относительно бедренного звена 2 и соответствующее «подтягивание вверх» задней части стопы 4. Далее в процессе шагания, бедренное и голенное звено возвращаются на свое место.
Тазовое 1 и бедренное 2 звенья, содержащие в полости своих каркасов редукторы, имеют следующие технические характеристики (длина 250 мм, ширина 200 мм, вес 4.5 кг) с максимальным крутящим моментом 19 кг*м (190НМ). Кроме того в состав устройства входят светодиоды, которые показывают готовность идти - зеленый индикатор или сигнал стоять - красный индикатор. При этом фиксатор-корсет 42, фиксирующий тазовое звено 1 помогает исправить осанку, ограничивает подвижность пояснично-грудного отдела позвоночника, компенсирует нагрузку на мышцы и связки, способствует нормализации их тонуса.