ЭКЗОСКЕЛЕТ И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
EXOSKELETON AND METHOD OF ITS USE

Область техники
[0001] Настоящее изобретение в целом относится к экзоскелетам и другим носимым конструкциями, выполненным с возможностью оказания помощи людям при переноске грузов, и более конкретно, относится к пассивным экзоскелетам и/или экзоскелетам без механического привода и другим пассивным конструкциям и/или носимым конструкциям без механического привода, выполненным с возможностью оказания помощи людям при переноске грузов.
Уровень техники
[0002] Оказание помощи пользователям, переносящим тяжелые грузы, долгое время было потребностью во многих обстоятельствах. Например, солдаты в полевых условиях, пожарные, полицейские, подразделения спецназа, а также строители и путешественники часто сталкиваются с проблемой переноски тяжелых грузов, иногда на большие расстояния. Решения этой проблемы, которые предлагались на протяжении многих лет, иногда имели форму портативной конструкции, также известной как экзоскелет, которую должен носить пользователь, иногда в виде дополнения к ногам, иногда вдоль ног и туловища.
[0003] Патент США №8474672, под авторством Keith, предлагает устройство для поддержки с возможностью замены рюкзака, содержащего груз на спине пользователя, и для передачи нагрузки от рюкзака на опорную поверхность через ноги пользователя, при этом позволяющее пользователю беспрепятственно шагать. Однако такая схема не обеспечивает гибкости ног в условиях, когда пользователь должен часто приседать.
[0004] Большинство предложенных решений снабжено механическим приводом, т.е. содержат механизм, приводимый в действие мотором для помощи при переноске груза. Например, заявка на патент США №2011/0264014 (Angold и др.) предлагает переносную грузоподъемную систему.
[0005] Другое решение предшествующего уровня техники предусматривает выдвижные рамки, выходящие от ствола экзоскелета и выполненные с возможностью удерживать груз спереди человека, носящего экзоскелет, как описано в патенте США N 8057410 В2, (Angold и др.). Несмотря на практичность, такая конфигурация не обеспечивает легкого обращения с грузом при переноске пользователем на большое расстояние. Кроме того, такое устройство не решает проблемы неравномерного распределения веса по стволу экзоскелета, что может создавать серьезные проблемы балансировки для пользователя, носящего экзоскелет в то время, когда пользователь находится в состоянии покоя, а также при ходьбе.
[0006] Таким образом, большинство решений предшествующего уровня техники состоит из экзоскелетов с механическим приводом, которые, хотя и являются полезными при определенных обстоятельствах, могут оказаться неэффективными из-за избыточного веса, стоимости, зависимости от источника питания, а также отсутствия эргономичной мобильности для пользователя.
[0007] Кроме того, большинство решений предшествующего уровня техники состоит из экзоскелетов, которые имеют несущую конструкцию, направленную на внешнюю сторону ноги, что несовместимо с биомеханикой тела человека и может привести к серьезным травмам у пользователя. Можно обратить внимание, например, на патенты США №№8474672 B1 (Keith) и 8968222 В2 (Kazerooni и др.) или заявку на патент США №2013/0303950 A1 (Angold и др.).
[0008] Таким образом, несмотря на продолжающееся развитие в области экзоскелетов для переноса груза, существует потребность в новых биомиметических экзоскелетах для переноса груза без механического привода, которые могут уменьшить некоторые из недостатков предшествующего уровня техники.
Краткое описание изобретения
[0009] Недостатки экзоскелетов предшествующего уровня техники по меньшей мере минимизируются экзоскелетом, например, пассивным экзоскелетом, выполненным с возможностью ношения пользователем так, чтобы поддерживать и передавать нагрузку, обычно переносимую пользователем, вниз на опорную поверхность, тем самым уменьшая нагрузку на самого пользователя.
[0010] Изобретение в первую очередь относится к экзоскелету, выполненному с возможностью ношения пользователем, поддерживающий и передающий вниз на опорную поверхность нагрузку, которую несет пользователь; экзоскелет содержит секцию туловища, соединенную с секцией нижних конечностей посредством секции тазобедренного сустава, например, для передачи вниз на опорную поверхность нагрузки, которую несет секция туловища, посредством секции тазобедренного сустава, и затем секции нижних конечностей; причем секция нижних конечностей содержит два симметричных шарнирно-сочлененных узла нижних конечностей, каждый узел нижних конечностей выполнен с возможностью его поддержки на каждой ноге пользователя и с возможностью следовать за перемещениями ноги при использовании экзоскелета, при этом каждый узел нижних конечностей имеет верхний конец, функционально соединенный с внешней стороной секции тазобедренного сустава, и нижний конец, выполненный с возможностью контакта с опорной поверхностью, каждый узел нижних конечностей выполнен с возможностью передавать нагрузку с внешней стороны секции тазобедренного сустава на внутреннюю сторону ноги пользователя перед соединением с опорной поверхностью.
[0011] Изобретение также относится к способу поддержки и передачи переносимой нагрузки вниз на опорную поверхность, способ включает в себя этапы:
ношения экзоскелета, содержащего секцию туловища, соединенную внизу с секцией нижних конечностей посредством секции тазобедренного сустава; и
передачи нагрузки, которую несет секция туловища экзоскелета, с внешней стороны секции тазобедренного сустава на внутреннюю сторону секции нижних конечностей перед соединением секции нижних конечностей с опорной поверхностью.
[0012] Изобретение также относится к способу поддержки и передачи переносимой нагрузки вниз на опорную поверхность, способ включает в себя этапы:
ношения экзоскелета, описанного в данном документе;
приложения по меньшей мере одной нагрузки; и
переноса по меньшей мере одной нагрузки с использованием секции туловища экзоскелета для передачи по меньшей мере одной нагрузки с внешней стороны секции тазобедренного сустава на внутреннюю сторону секции нижних конечностей перед соединением секции нижних конечностей с опорной поверхностью.
[0013] Изобретение также направлено на использование экзоскелета, описанного в данном документе, для помощи человеку, носящему экзоскелет, в переноске груза.
[0014] При использовании пользователь носит экзоскелет для помощи при переноске грузов. По мере того как к туловищу пользователя прикладывается нагрузка, нагрузка будет по меньшей мере частично поддерживаться секцией туловища и будет передаваться вниз на секцию тазобедренного сустава посредством секции туловища и ее соединения с секцией тазобедренного сустава. Затем секция тазобедренного сустава передаст нагрузку дальше вниз на секцию нижних конечностей. Наконец, нагрузка будет передана на опорную поверхность посредством секции нижних конечностей. При этом концевые левое и правое места контакта, несущие нагрузку, расположены на внутренней стороне левой и правой ноги.
[0015] Для обеспечения возможности передачи нагрузки, в наибольшей степени совпадающей с биомеханикой тела человека, секции нижних конечностей экзоскелета обычно соединены со сторонами секции тазобедренного сустава, но выполнены с возможностью передачи нагрузки на внутреннюю сторону ступни. Соответственно, передача нагрузки с внешней части бедра вниз на внутреннюю часть ног предпочтительно облегчает перемещения пользователя, носящего экзоскелет даже при переносе важных грузов, соответственно увеличивая расстояние и/или время, в течение которого пользователь несет грузы.
[0016] Хотя различные пользователи могут использовать экзоскелет в соответствии с принципами настоящего изобретения, такой экзоскелет может предпочтительно использоваться солдатами, сотрудниками полиции (в том числе сотрудниками подразделений спецназа и ударных групп с применением специальных видов оружия), пожарными, строительными рабочими, кинооператорами и туристами для оказания им содействия при переносе грузов.
[0017] Другие и дополнительные аспекты и преимущества настоящего изобретения будут более понятны при помощи иллюстративных вариантов осуществления, которые будут описаны далее, и различные преимущества, не указанные в данном документе, могут прийти на ум специалисту в данной области техники при применении данного изобретения на практике.
Краткое описание чертежей
[0018] Вышеописанные и другие аспекты, признаки и преимущества изобретения станут более понятными из последующего описания, при этом сделаны ссылки на прилагаемые чертежи, на которых:
[0019] На фиг. 1 представлен вид спереди в перспективе варианта осуществления экзоскелета в соответствии с принципами настоящего изобретения.
[0020] На фиг. 2 представлен вид сзади в перспективе экзоскелета по фиг. 1.
[0021] На фиг. 3 представлен вид спереди экзоскелета по фиг. 1.
[0022] На фиг. 4 представлен вид сзади экзоскелета по фиг. 1.
[0023] На фиг. 5 представлен боковой вид слева экзоскелета по фиг. 1.
[0024] На фиг. 6 представлен боковой вид справа экзоскелета по фиг. 1.
[0025] На фиг. 7 представлен вид спереди в перспективе секции туловища экзоскелета по фиг. 1.
[0026] На фиг. 8 представлен вид сзади в перспективе секции туловища экзоскелета по фиг. 1.
[0027] На фиг. 9 представлен вид спереди в перспективе секции тазобедренного сустава экзоскелета по фиг. 1.
[0028] На фиг. 10 представлен вид сзади в перспективе секции тазобедренного сустава экзоскелета по фиг. 1.
[0029] На фиг. 11 представлен вид спереди в перспективе секций нижних конечностей экзоскелета по фиг. 1.
[0030] На фиг. 12 представлен вид сзади в перспективе секций нижних конечностей экзоскелета по фиг. 1.
[0031] На фиг. 13 представлен частичный вид спереди в перспективе нижнего участка секций нижних конечностей экзоскелета по фиг. 1.
[0032] На фиг. 14 представлен частичный вид сзади в перспективе нижнего участка секций нижних конечностей экзоскелета по фиг. 1.
[0033] На фиг. 15 представлен вид спереди в перспективе шейной секции экзоскелета по фиг. 1.
[0034] На фиг. 16 представлен вид сзади в перспективе шейной секции экзоскелета по фиг. 1.
[0035] На фиг. 17 представлен вид спереди в перспективе экзоскелета по фиг. 1, дополнительно показывающий покрывающий жилет.
[0036] На фиг. 18 представлен вид спереди секции нижних конечностей экзоскелета по фиг. 1.
[0037] На фиг. 19 представлен вид спереди секций нижних конечностей экзоскелета по фиг. 1.
[0038] На фиг. 20 представлен вид спереди в перспективе секций нижних конечностей экзоскелета по фиг. 1.
[0039] На фиг. 21 представлен вид спереди в перспективе секций нижней части тела экзоскелета по фиг. 1.
[0040] На фиг. 22 представлен схематический вид позвоночной секции экзоскелета по фиг. 1.
[0041] На фиг. 23 представлен схематический вид позвоночной секции экзоскелета по фиг. 1.
[0042] На фиг. 24 представлен схематический вид позвоночной секции экзоскелета по фиг. 1.
[0043] На фиг. 25 представлен вид сзади секций туловища экзоскелета по фиг. 1.
Осуществление изобретения
[0044] Новый экзоскелет, переносящий груз, описан ниже в данном документе. Несмотря на то, что изобретение описано в терминах конкретных иллюстративных вариантов осуществления, следует понимать, что варианты осуществления описаны в данном документе только в качестве примера, и что объем изобретения не предназначен ограничиваться ими.
тазобедренного сустава
[0045] В соответствии с принципами настоящего изобретения экзоскелет обычно содержит по меньшей мере три взаимосвязанные секции: 1) секцию туловища, 2) секцию  и 3) секции нижних конечностей. Данные три секции взаимосвязаны таким образом, чтобы передавать нагрузку, обычно переносимую туловищем, включающим плечи, грудь и спину пользователя, вниз на опорную поверхность посредством секции тазобедренного сустава и затем секций нижних конечностей.
[0046] Для обеспечения возможности передачи нагрузки, которая в большей степени совпадает с биомеханикой тела человека, секции нижних конечностей экзоскелета обычно соединены со сторонами секции тазобедренного сустава и выполнены с возможностью передавать нагрузку на внутреннюю сторону ступни.
[0047] В обычных вариантах осуществления секция туловища экзоскелета обычно содержит плечевой элемент, выполненный с возможностью опираться на плечи пользователя, и позвоночный узел, содержащий множество позвоночных элементов. Самый верхний позвоночный элемент соединен или выполнен как одно целое с плечевым элементом, в то время как самый нижний позвоночный элемент соединен с секцией тазобедренного сустава. Плечевой и позвоночный элементы взаимосвязаны посредством упругих элементов (например, пружин) для обеспечения возможности позвоночному узлу сжиматься или растягиваться под нагрузкой, и для обеспечения возможности позвоночному узлу соответствующим образом следовать за перемещениями пользователя. Секция туловища, как правило, поддерживает и передает нагрузку, обычно воспринимаемую плечами и туловищем пользователя, в направлении к опорной поверхности посредством секции тазобедренного сустава и затем секций нижних конечностей.
[0048] В некоторых вариантах осуществления секция туловища также содержит по меньшей мере одну пару левого и правого реберных элементов, проходящих с каждой стороны по меньшей мере одного промежуточного позвоночного элемента на всем пути к передней части туловища пользователя, обычно на уровне самых нижних ребер между грудной клеткой и брюшной полостью. При их наличии данные реберные элементы эффективно поддерживают и передают нагрузку, обычно воспринимаемую грудной клеткой или брюшной полостью, в направлении позвоночного узла и затем в направлении к опорной поверхности посредством секции тазобедренного сустава и секций нижних конечностей.
[0049] В обычных вариантах осуществления секция тазобедренного сустава экзоскелета обычно содержит нижний спинной элемент и левый и правый тазобедренные элементы, проходящие от каждой стороны нижнего спинного элемента на всем пути к передней части пользователя. Нижний спинной элемент принимает нижнюю концевую часть позвоночного узла секции туловища. Свободные концевые части левого и правого тазобедренных элементов снабжены взаимодополняющими деталями крепления, так чтобы иметь возможность соединяться вместе для образования пояса. Для дополнительного удобства внутреннюю поверхность нижней части спинного и тазобедренного элементов обычно покрывают упругим материалом, например, эластомерной пеной.
[0050] В обычных вариантах осуществления секции нижних конечностей экзоскелета включают в себя левую секцию нижних конечностей и правую секцию нижних конечностей. Левая и правая секции нижних конечностей обычно являются симметричными. Левая секция нижних конечностей крепится к левому тазобедренному элементу секции тазобедренного сустава, в то время как правая секция нижних конечностей крепится к правому тазобедренному элементу секции тазобедренного сустава.
[0051] Каждая секция нижних конечностей обычно содержит три основные части: соединительный узел тазобедренного сустава, верхний элемент нижней конечности и нижний элемент нижней конечности. Соединительный узел тазобедренного сустава крепится к соответствующему тазобедренному элементу секции тазобедренного сустава и к верхней концевой части верхнего элемента нижней конечности. Соединительный узел тазобедренного сустава является шарнирно-сочлененным для обеспечения возможности перемещения верхнего элемента нижней конечности относительно секции тазобедренного сустава при движении пользователя (например, ходьбе, беге, опускании на колени, стоянии на корточках и т.д.). Верхний элемент нижней конечности соединен с тазобедренным соединительным узлом и с нижним элементом нижней конечности. Верхняя концевая часть верхнего элемента нижней конечности шарнирно установлена на тазобедренном соединительном узле, а нижняя концевая часть верхнего элемента нижней конечности шарнирно соединена с нижним элементом нижней конечности. Шарнирное соединение между верхним и нижним элементами нижней конечности обычно располагается на уровне колена пользователя для обеспечения возможности нижнему элементу нижней конечности следовать за перемещениями нижней части ноги пользователя относительно верхней части нижней конечности. Нижний элемент нижней конечности обычно проходит вниз и в направлении внутренней стороны ноги пользователя, так чтобы передавать нагрузку от внешней части ноги в направлении внутренней части ноги и вниз на внутреннюю сторону ступни пользователя. При этом нижняя концевая часть нижнего элемента нижней конечности заканчивается подошвенной вставкой, выполненной с возможностью размещаться в обуви (например, в ботинке) пользователя.
[0052] В некоторых вариантах осуществления экзоскелет также содержит шейную секцию (четвертую секцию). Шейная секция выполнена с возможностью помогать поддерживать нагрузку, воспринимаемую головой пользователя. Шейная секция, как правило, соединена посредством защитного жилета или костюма с секцией туловища, так чтобы передавать нагрузку с головы и шеи пользователя в направлении секции туловища, которая далее передает нагрузку вниз посредством секции тазобедренного сустава и секций нижних конечностей.
[0053] При использовании пользователь носит экзоскелет, помогающий при переноске грузов. Когда на туловище (например, плечо, грудь и/или спину) пользователя прикладывается нагрузка, нагрузка по меньшей мере частично будет восприниматься секцией туловища (например, плечевым элементом, позвоночным узлом) и передаваться вниз на секцию тазобедренного сустава посредством позвоночного узла и его соединения с секцией тазобедренного сустава. Затем секция тазобедренного сустава далее передает нагрузку вниз на две секции нижних конечностей посредством соединения между левым тазобедренным элементом и левой секцией нижних конечностей, и посредством соединения между правым тазобедренным элементом и правой секцией нижних конечностей. Наконец, нагрузка передается на опорную поверхность через левую и правую подошвенные вставки, размещенные в обуви пользователя. При этом, как уже упоминалось выше, концевые левое и правое места контакта, несущие нагрузку, расположены на внутренней стороне левой и правой ступни.
[0054] Согласно одному аспекту настоящего изобретения экзоскелет может содержать множество подсистем:
Подсистема 1: Нижние конечности
Подошва:
[0055]  встроенная непосредственно внутрь подошвы ботинка солдата, данная металлическая подошва является основой для сбалансированного и равновесного положения, необходимого для данного устройства, чтобы надлежащим образом передавать и перенаправлять нагрузку от всего тела на пол.
Механизм удлинения стопы:
[0056]  это представляет собой соединение между ступней и нижней стороной голени.
Внешняя соединительная часть медиальной лодыжки:
[0057]  данная область устройства специально выполнена с возможностью обеспечить надлежащую передачу нагрузки сверху, не затрудняя надевание/снимание ботинок.
Внутренняя соединительная часть медиальной лодыжки:
[0058]  данная область устройства специально выполнена с возможностью обеспечить надлежащую передачу нагрузки сверху, не препятствуя надеванию/сниманию ботинок.
Механизм удлинения голени-колена:
[0059]  это нижняя область колена, как продолжение голени.
Механизм удлинения передней части голени:
[0060]  данная область начинается как раз перед голенью для обеспечения возможности надлежащей передачи перенаправленной нагрузки, приходящей сверху.
Соединительный механизм задней части голени:
[0061]  данная область обеспечивает возможность надлежащего соединения устройства с задней частью голени.
Механизм удлинения передней части тазобедренного сустава:
[0062]  данная область начинается как раз в передней части тазобедренного сустава для обеспечения возможности надлежащей передачи перенаправленной нагрузки, приходящей сверху.
Соединительный механизм задней части тазобедренного сустава:
[0063]  данная область обеспечивает возможность надлежащего соединения устройства с задней частью тазобедренного сустава.
Соединительный шарнир пояса-тазобедренного сустава:
[0064]  данный соединительный механизм обеспечивает возможность надлежащего передвижения области тазобедренного сустава/бедренной кости, при этом обеспечивая надлежащую передачу нагрузки.
Удлинитель отведения бедра:
[0065]  данная область образует мост между нагрузками на верхнюю часть тела, передаваемых вниз посредством поясной системы.
Подсистема 2: Пояс
Соединительный разъем пояс-бедро:
[0066]  данная область обеспечивает возможность надлежащего соединения устройства с задней частью голени.
Механизм сопряжения пояса:
[0067]  данная область обеспечивает возможность надлежащего соединения устройства с задней частью голени.
Подсистема 3: Верхняя часть тела
Грузоподъемные крылья:
[0068]  данная часть снимает нагрузку с плеч туловища, чтобы освободить тело от данной нагрузки, которая будет перенаправлена на пол при помощи механизма передачи.
Позвонки:
[0069]  данная часть действует подобно человеческому позвоночнику, обеспечивая надлежащую подвижность верхней части туловища до соединения с поясом, для передачи нагрузки, приходящей сверху.
Позвонок-Ребра:
[0070]  это специальный позвонок, не похожий на другие(о), который расширяет/наращивает два подвижных ребра, которые охватывают туловище от задней к передней части.
Соединительная часть реберной пластины:
[0071]  данная часть, расположенная в концевой части подвижного ребра, помогает избежать сжатия туловища за счет небольшого отталкивания плотного баллистического жилета в сторону.
Звено регулировки ребра:
[0072]  это механизм, который обеспечивает возможность надлежащей регулировки и фиксации всей данной подсистемы экзоскелета на туловище.
Подсистема 4: Верхняя часть плеча
Шарнирное ответвление верхнего уха:
[0073]  это самая верхняя часть верхней плечевой подсистемы, которая соединена со шлемом. Данная подсистема использует Вспомогательную Систему Поворота (ВСВ), чтобы в буквальном смысле помогать и управлять движением шеи во время переноса части веса шлема на нижерасположенную подсистему посредством подъемных крыльев (n).
Шарнирное ответвление нижнего уха:
[0074]  это часть верхней плечевой подсистемы с той же функцией, что и (s).
Ползун направляющей шеи:
[0075]  данный механизм обеспечивает возможность регулировки положения шлема на верхней плечевой подсистеме для надлежащей балансировки нагрузки и управления движением/поддержкой шеи.
Шарнирное ответвление шеи:
[0076]  данный механизм также является частью верхней плечевой подсистемы, выполненной с возможностью функционировать, как описано в (s). В основном связан он с движением шеи.
[0077] Экзоскелет в соответствии с принципами настоящего изобретения, в целом, показан на виде 10 на фиг. 1 и 2. Экзоскелет 10 разработан, чтобы предоставить возможность пользователю, несущему груз на своем туловище, позволить экзоскелету 10 удалить нагрузку с туловища за счет ее снятия с тела пользователя и перенаправить на опорную поверхность под ступней, в то время когда пользователь стоит, идет, бежит или сидит на корточках. В настоящем варианте осуществления экзоскелет 10 также выполнен с возможностью по меньшей мере частично поддерживать вес шлема, который может носить пользователь.
[0078] Обращаясь теперь к фиг. 1-6, экзоскелет 10 обычно содержит три основные секции: 1) секцию 100 туловища, 2) секцию 200 тазобедренного сустава и 3) секции 300L и 300R нижних конечностей. Данные три секции 100, 200 и 300 взаимосвязаны для передачи нагрузки, обычно воспринимаемой туловищем, в том числе плечами, грудью и спиной пользователя, на опорную поверхность при помощи секции 100 туловища, секции 200 тазобедренного сустава и затем секций 300L и 300R нижних конечностей. В некоторых вариантах осуществления, как будет объяснено ниже, экзоскелет 10 может дополнительно содержать шейную секцию 400.
[0079] Понятно, что секцию 100 туловища, секцию 200 тазобедренного сустава и секции 300L и 300R нижних конечностей, соответственно, как правило, выполнены с возможностью установки на туловище, вокруг бедер и на ногах пользователя. При этом секция 100 туловища, секция 200 тазобедренного сустава и секции 300L и 300R нижних конечностей обычно снабжены различными регулировочными механизмами (например, ремнями, поперечными и продольными регулировочными приспособлениями на бедрах (1 дюйм (2,54 см)), на коленях (полдюйма (1,27 см)) и на позвоночнике (4 дюйма (10,16 см)), а также механическими фитингами, болтами, винтами и гайками), чтобы надлежащим образом приспособить различные секции 100, 200, 300L и 300R к конкретному размеру и форме тела пользователя. В настоящих вариантах осуществления регулировочные механизмы включают в себя перекрестные ремни для облегчения увеличения размера мышц. Хотя согласно одному варианту осуществления экзоскелет для переноски груза допускает некоторый уровень регулировки, он может быть выполнен различных размеров, чтобы соответствовать различным размерам тела и типам.
[0080] С дополнительной ссылкой на фиг. 7 и 8, секция 100 туловища может содержать плечевой элемент 110 и позвоночный узел 120. Как показано на фиг. 7 плечевой элемент 110 расположен на верхней концевой части 122 позвоночного узла 120. Плечевой элемент 110 обычно выполнен с возможностью воспринимать по меньшей мере часть нагрузки, прилагаемой на туловище пользователя, и передавать ее на позвоночный узел 120, который будет далее передавать нагрузку вниз посредством секции 200 тазобедренного сустава и секции 300L и 300R нижних конечностей.
[0081] Как лучше всего показано на фиг. 7 и 8, в настоящем варианте осуществления плечевой элемент 110 обычно выполнен с возможностью частично охватывать основание шеи пользователя. При этом плечевой элемент 110 содержит два крылообразных удлинения 112L и 112R, которые образуют углубление 113, в котором может располагаться основание шеи пользователя.
[0082] Позвоночный узел 120, который аналогичен позвоночнику человека, обычно содержит множество взаимосвязанных позвоночных элементов или позвонков 131-136. В настоящем варианте осуществления позвоночный узел 120 содержит 6 отдельных позвоночных элементов. Однако в других вариантах осуществления количество позвоночных элементов может быть больше или меньше 6.
[0083] Плечевой элемент 110 и позвоночные элементы 131-136 взаимосвязаны при помощи упругих элементов (например, пружин) 150 к 155 для того, чтобы позвоночный узел 120 сжимался и растягивался под действием различных нагрузок, которые он воспринимает и передает. Упругая взаимосвязь между плечевым элементом 110 и позвоночными элементами 131-136 также придает гибкость секции 100 туловища экзоскелета 10. Поскольку экзоскелет 10 выполнен с возможностью ношения пользователем, преимуществом может быть то, что экзоскелет 10 способен следовать за перемещениями пользователя при этом сохраняя его несущую способность. В настоящем варианте осуществления упругая взаимосвязь между плечевым элементом 110 и позвоночными элементами 131-136 обеспечивает возможность секции 100 туловища воспринимать по меньшей мере часть нагрузки, приложенной к туловищу пользователя, при этом оставаясь достаточно гибкой, чтобы следовать за большей частью перемещений пользователя.
[0084] В настоящем варианте осуществления по меньшей мере один из позвоночных элементов 131-136 дополнительно содержит по меньшей мере одну пару левых и правых реберных элементов 140L и 140R, которые выступают с каждой стороны по меньшей мере одного промежуточного позвоночного элемента на всем пути к передней части туловища пользователя, обычно на уровне самых нижних ребер между грудной клеткой и брюшной полостью. В настоящем варианте осуществления, как лучше всего показано на фиг. 7 и 8, только позвоночный элемент 133 содержит реберные элементы 140L и 140R. Реберные элементы 140L и 140R выполнены с возможностью по меньшей мере частично воспринимать нагрузку, которая будет локализована на грудной клетке и/или брюшной полости пользователя и для передачи ее на позвоночный узел 120. При этом в настоящем варианте осуществления реберные элементы 140L и 140R соответственно завершены регулируемыми установочными пластинами 142L и 142L, на которых можно установить или закрепить груз. В настоящем варианте осуществления установочные пластины 142L и 142R снабжены сеткой отверстий 144L и 144R для деталей крепления, для обеспечения различной регулировки установленного или прикрепленного груза. В военном исполнении реберные элементы 140L и 140R и их соответствующие установочные пластины 142L и 142R могут использоваться, например, для по меньшей мере частичной поддержки противопульных бронепластин, используемых для защиты солдат от высокоскоростных пуль и других осколков.
[0085] Вполне понятно, что в зависимости от предполагаемого использования экзоскелета 10 большее количество позвоночных элементов можно снабдить реберными элементами (если пользователь, например, телеоператор, должен нести большую нагрузку спереди) или можно совсем освободить от реберных элементов (если пользователь не должен нести большую нагрузку спереди, например, пеший турист).
[0086] В силу своей конфигурации секция 100 туловища будет по меньшей мере частично воспринимать нагрузку, переносимую туловищем пользователя, и передавать ее вниз к секции 200 тазобедренного сустава, которая будет передавать его далее на опорную поверхность посредством секций 300L и 300R нижних конечностей.
[0087] Обращаясь к фиг. 9 и 10, дополнительно к фиг. 1-6, секция 200 тазобедренного сустава представляет собой соединяющую секцию между верхней секцией 100 туловища и нижними секциями 300L и 300R нижних конечностей. При этом секция 200 тазобедренного сустава обычно выполнена с возможностью передавать и перенаправлять нагрузку со спины, где она воспринимает нагрузку от позвоночного узла 120, в стороны, где она передает нагрузку к секциям 300L и 300R нижних конечностей.
[0088] В настоящем варианте осуществления секция 200 тазобедренного сустава содержит нижний спинной элемент 210 и два тазобедренных элемента 220L и 220R, проходящих от каждой стороны нижнего спинного элемента 210 на всем пути к передней части пользователя. Как лучше всего показано на фиг. 9, свободные концевые части 222L и 222R левого и правого тазобедренных элементов 220L и 220R снабжены взаимодополняющими застежками 224L и 224R, чтобы соединяться вместе для образования пояса (см. фиг. 9). В настоящем варианте осуществления взаимодополняющие застежки 224L и 224R являются застегивающими элементами. Однако в других вариантах осуществления взаимодополняющие застежки 224L и 224R могут быть другими, например, фиксирующими ремнями Velcro™.
[0089] Как показано на фиг. 9 и в особенности на фиг. 10, нижний спинной элемент 210 соединен с нижней концевой частью 124 позвоночного узла 120 секции 100 туловища. Соединение между самым нижним позвоночным элементом 136 и нижним спинным элементом 210 аналогично соединению между другими позвоночными элементами 131-136.
[0090] Как лучше всего показано на фиг. 9, когда комплементарные застежки 224L и 224R прикреплены друг к другу, секция 200 тазобедренного сустава формирует пояс, который полностью огибает область тазобедренного сустава пользователя. В настоящем варианте осуществления для дополнительного комфорта пользователя внутренняя поверхность нижнего спинного элемента 210 и тазобедренных элементов 220L и 220R покрыта упругим материалом, например, эластомерной пеной 230. Следует отметить, что, дополнительно к своей роли по передаче нагрузки от секции 100 туловища к секциям 300L и 300R нижних конечностей, секция 200 тазобедренного сустава также передает часть нагрузки на бедра пользователя, таким образом дополнительно способствуя уменьшению нагрузки, воспринимаемой туловищем пользователя. Слой упругого материала тем самым в целом препятствует секции 200 тазобедренного сустава образовывать болевые точки контакта с бедрами пользователя.
[0091] Обращаясь теперь к фиг. 9-14, для завершения передачи нагрузки от туловища вниз на опорную поверхность, секция 200 тазобедренного сустава соединена с парой левой и правой секций 300L и 300R нижних конечностей. Обе секции 300L и 300R нижних конечностей симметричны по своей природе, и правая секция 300R нижних конечностей является зеркальным отражением левой секции 300L нижних конечностей. В связи с этим только левая секция 300L нижних конечностей будет описана ниже.
[0092] Секция 300L левой нижней конечности присоединена жестко, но с возможностью регулировки к левому тазобедренному элементу 220L секции 200 тазобедренного сустава. Секция 300L левой нижней конечности обычно содержит три основных участка: 1) соединительный узел 310L тазобедренного сустава, 2) элемент 330L верхней части нижней конечности и 3) элемент 350L нижней части нижней конечности.
[0093] Со ссылкой на фиг. 9 и 10 соединительный узел 310L тазобедренного сустава обычно отвечает за обеспечение надлежащего соединения между секцией 200 тазобедренного сустава и секцией 300L левой нижней конечности, при этом обеспечивая необходимое количество степеней свободы при перемещении секции 300L нижних конечностей. При этом соединительный узел 310L тазобедренного сустава содержит соединитель 312L пояса, первый соединительный элемент 314L тазобедренного сустава шарнирно соединенный с соединителем 312L пояса, второй соединительный элемент 316L тазобедренного сустава, шарнирно соединенный с первым соединительным элементом 314L тазобедренного сустава, и третий соединительный элемент 318L тазобедренного сустава, шарнирно соединенный со вторым соединительным элементом 316L тазобедренного сустава.
[0094] Как можно видеть на фиг. 9, шарнирное соединение 313L между соединителем 312L пояса и первым соединительным элементом 314L тазобедренного сустава образует первую ось 323L поворота, которая позволяет производить продольные перемещения (т.е. перемещения влево-вправо) ноги пользователя. Со своей стороны, шарнирное соединение 315L между первым соединительным элементом 314L тазобедренного сустава и вторым соединительным элементом 316L тазобедренного сустава образует вторую ось 325L поворота, которая позволяет производить продольные перемещения (т.е. перемещения вперед-назад) ноги пользователя. Наконец, шарнирное соединение 317L между третьим соединительным элементом 318L тазобедренного сустава и соединительным элементом 316L тазобедренного сустава образует третью ось 327L поворота для аксиальных перемещений (т.е. вращательных перемещений) ноги пользователя. Обычно три оси 323L, 325L и 327L поворота перпендикулярны друг к другу, тем самым обычно обеспечивая три степени свободы остальной части секции 300L нижних конечностей, и, следовательно, ноге пользователя. Поэтому, за счет обеспечения трех степеней свободы, соединительный узел 310L тазобедренного сустава обеспечивает возможность верхнему 330L и нижнему 350L элементам нижней конечности надлежащим образом следовать за перемещениями ноги пользователя при использовании.
[0095] Обращаясь теперь к фиг. 11 и 12, элемент 330L верхней части нижней конечности установлен в соединительном узле 310L тазобедренного сустава (см. также фиг. 9 и 10) и обычно проходит вниз от него. Более конкретно, верхняя концевая часть 332L верхнего элемента 330L нижней конечности соединена неподвижно, но с возможностью регулировки, с соединительным элементом 318L тазобедренного сустава. Регулируемое соединение 319L между верхней концевой частью 332L и соединительным элементом 318L тазобедренного сустава обычно обеспечивает регулировку высоты, чтобы учитывать различную длину ног.
[0096] Элемент 330L верхней части нижней конечности обычно содержит два участка, верхний участок 334L и нижний участок 336L. Как лучше всего видно на фиг. 11 верхний участок 334L обычно проходит от стороны (например, участка бедра) пользователя в направлении передней части. Затем, от верхнего участка 334L вниз проходит нижний участок 336L, который заканчивается около колена двумя концевыми частями 338L при разделении нижнего участка 336L.
[0097] В свою очередь, элемент 350L нижней части нижней конечности в своих верхних концевых частях 352L шарнирно соединен с элементом 330L верхней части нижней конечности и заканчивается на своей нижней концевой части 358L подошвенной вставкой 370L.
[0098] Как и элемент 330L верхней части нижней конечности, элемент 350L нижней части нижней конечности также содержит верхний участок 354L и нижний участок 356L, проходящие от них вниз. Следует отметить, что как показано на фиг. 11, верхний участок 354L нижнего элемента 350L также разделен на две концевые части 352L. Данные две концевые части 352L шарнирно соединены с двумя концевыми частями 352L нижнего участка 336L верхнего элемента 330L нижней конечности. Шарнирное соединение между концевыми частями 338L и концевыми частями 352L обычно совпадает с коленом пользователя, позволяя ноге пользователя сгибаться в колене.
[0099] Следует отметить, что как показано на фиг. 11 (см. также фиг. 3), раздельная конфигурация концевых частей 338L и концевых частей 352L образует центральное отверстие 340L. Данное отверстие 340L обеспечивает возможность колену пользователя проходить через него, когда пользователь встает на колени или приседает.
[00100] Со ссылкой на фиг. 11-14, верхний участок 354L нижнего элемента 350L нижней конечности обычно расположен на передней части ноги пользователя, в то время как нижний участок 356L проходит вниз и в направлении внутренней части ноги пользователя, так чтобы заканчиваться внутри ступни пользователя. При этом нижний участок 356L заканчивается подошвенной вставкой 370L, выполненной с возможностью вставляться в обувь под ступней пользователя. Данная подошвенная вставка 370L шарнирно соединена с концевой частью 358L нижнего элемента 350L нижней конечности для обеспечения возможности осевых перемещений ступни пользователя.
[00101] Со ссылкой на фиг. 11 или 12 следует отметить, что секция 300L нижних конечностей передает нагрузку от внешней стороны ноги пользователя, возле бедра, на всем пути вниз на внутреннюю сторону ноги пользователя, возле голеностопа. Данная передача нагрузки от внешней стороны ноги в направлении внутренней стороны ноги обеспечивает возможность расположения конечного места, несущего нагрузку, в пределах ступни пользователя в соответствии с биомеханикой тела человека. При этом, поскольку внутренняя сторона ступни выполнена с возможностью лучше воспринимать нагрузку, передача нагрузки на внутреннюю сторону ступни может предотвратить получение травм пользователем экзоскелета 10.
[00102] Со ссылкой на фиг. 11-14, когда пользователь стоит прямо, идет или бежит, нога сохраняет свой обычный объем и геометрию. При сгибании одной ноги, двух ног или в положении на корточках объем ноги обычно увеличивается в диапазоне от нуля до нескольких дюймов в зависимости от возраста и этнической принадлежности личности. Данное положение относится конкретно к области бедра и икр ног.
[00103] Со ссылкой на фиг. 18-21, в настоящем варианте осуществления, Секция А (темно серая: удлинитель бедра, соединенный с коленным шарниром, который в свою очередь соединен с удлинителем голени) обычно перемещается горизонтально по направлению к внутренней стороне ноги за счет расширения мышц, когда пользователь принимает нижнее положение, как описано выше, в то время как Секция В (светло серая: механизм колена/бедра/голени) обычно остается фиксированной и не двигается.
[00104] Со ссылкой на фиг. 20 элементы 334, 336 и 354 предпочтительно остаются фиксированными и не двигаются в отличие от симметрично противоположных элементов внутренней стороны, которые обычно сдвигаются горизонтально по направлению к внутренней стороне ноги за счет увеличения мышц, когда пользователь принимает нижнее положение, как описано выше.
[00105] Со ссылкой на фиг. 12 (см. также фиг. 4), задняя часть как верхнего элемента 330L нижней конечности, так и нижнего элемента 350L нижней конечности снабжена удлинителями 380L и 390L соединительных ремней, причем каждый содержит соединительные петли 382L и 392L. Данные петли 382L и 392L выполнены с возможностью принимать соединительные ремни (не показаны) для крепления секции 300L нижних конечностей к ноге пользователя. Обычно ремни представляют собой упругий и/или регулируемый ремень, для обеспечения надлежащего соединения между секцией 300L нижних конечностей и ногой пользователя.
[00106] Также, что касается секции 200 тазобедренного сустава, задняя поверхность секций 380L и 390L нижних конечностей может покрываться упругим материалом, например, эластомерной пеной для повышения удобства.
[00107] Как было отмечено выше, настоящий вариант осуществления экзоскелета 10 также содержит шейную секцию 400, которая обычно выполнена с возможностью передавать нагрузку, производимую шлемом (не показан) вниз к секции 100 туловища. Как показано на фиг. 17, в настоящем варианте осуществления шейная секция 400 соединена с секцией 100 туловища при помощи жилета 500. Жилет 500 обычно выполнен как одно целое с секцией 100 туловища, чтобы обеспечить возможность жилету 500 прикрепить секцию 100 туловища к туловищу пользователя. В настоящем варианте осуществления жилет 500 выполнен из набивного ремня 510 и сетки 520.
[00108] Со ссылкой на фиг. 15 и 16 для обеспечения возможности шейной секции 400 надлежащим образом передавать нагрузку от шлема вниз на секцию 100 туловища, шейная секция 400 содержит пару левых и правых элементов 410L и 410R, поддерживающих шлем, которые выполнены с возможностью установки на шлеме при помощи соединительных мест 412L и 412R, и которые шарнирно соединены с первыми шейными элементами 420L и 420R. Данные два первых шейных элемента 420L и 420R дополнительно соединены со вторым шейным элементом 430, который имеет такую форму для прохождения вдоль задней части головы пользователя. Данный второй шейный элемент 430 дополнительно соединен с третьим шейным элементом 440, проходящим вниз в направлении плеч пользователя. При этом нижние концевые части 442L и 442R третьего шейного элемента 440 снабжены элементами 450L и 450R крепления жилета, шарнирно прикрепленными к нему.
[00109] В ходе эксплуатации траектория статических и динамических нагрузок вдоль экзоскелета 10 описана ниже.
[00110] В настоящем варианте осуществления, в ходе эксплуатации, когда человек стоит, идет или бежит, данная конструкция 10 экзоскелета воспринимает нагрузку, которая обычно приложена к туловищу, снимает ее с тела и перенаправляет на пол под ступней (т.е. нагрузка оперативно перенаправляется в область, в которой тело на двух ногах лучше справляется нагрузкой).
[00111] При стоянии, ходьбе или беге траектория вовлеченных статических и динамических нагрузок является следующей:
I. Нагрузка на шлем обычно снимается с шеи и перенаправляется вниз на плечи при помощи механизмов 412, 415, 430, 442 передачи (см. фиг. 15).
II. После I нагрузка снимается с плеч при помощи механизма 112 передачи с грузоподъемным крылом (см. фиг. 5-7)
III. После II она проходит через позвонки 110, 131-136 (см. фиг. 8) искусственного позвоночника, достигая тазобедренной области 230 (см. фиг. 9). Следовательно, нагрузка находится, как правило, на внешней стороне тела, как раз над тазом.
IV. После III она проходит через область тазобедренного сустава посредством ползунов/соединителей/соединений 319, 323, 312 (см. фиг. 10) на всем пути вниз к ногам.
V. После IV она проходит через область 319, 354, 356 колена (см. фиг. 11)
VI. После V нагрузка перенаправляется на внутреннюю часть ноги при помощи механизмов 356, 358, 359 передачи (см. фиг. 11)
VII. После VI нагрузка проходит по траектории, описывающей от 0 до 90 градусов (от вертикального до горизонтального направления - ниже внутренней стороны голени по направлению к большому пальцу), прежде чем окончательно достичь нижней части ступни 370 (см. фиг. 11).
[00112] В настоящем варианте осуществления, теперь со ссылкой на фиг. 22-25, при работе, в определенных положениях, функционирование позвонков 131-136 позвоночного узла (искусственного позвоночника) предпочтительно представляет собой самонастраивающийся механизм передачи динамической нагрузки, разработанный специально для позвоночника человека.
[00113] В настоящем варианте осуществления позвоночный узел 600 составлен из нескольких отдельных деталей устройства, обозначенных как позвонки, которые характеризуются 4-мя типами: поясничными позвонками (134-136), позвонком 133 амортизирующего ребра (который проходит в соединительный узел (140-144) амортизирующего ребра), грудными позвонками 131-132 и верхним позвонком 110 (который проходит в грузоподъемные крылья 112).
[00114] Со ссылкой на фиг. 22 позвоночный узел 600 содержит телескопические внутренние пружины 610, межпозвонковые пружины 620 и сферический контакт 630 для передачи нагрузки.
[00115] Каждый из данных позвонков (110, 131-136) предпочтительно свободно перемещается относительно других в 4 осях: осуществляя поворот, изгиб, боковой изгиб и перемещение. Верхний позвонок (110) обычно является частью устройства, способного справляться с нагрузкой. Функционирование данного позвоночного узла в отношении глобальной системы, поддерживающей определенную нагрузку, зависит от конкретной позы/действий/положений, а также механизмов передачи, описанных ниже:
Стояние прямо, ходьба, бег и положение лежа
[00116] В настоящем варианте осуществления со ссылкой на фиг. 23 во время стояния прямо все позвонки (110, 131-136) (см. фиг. 8) узла находятся в непосредственном контакте посредством сферической контактной поверхности 111, 112 в крайней точке каждого позвонка.
[00117] Во время ходьбы или бега нагрузка передается посредством данного непосредственного контакта. Также, если выполняется ограниченное наклонное движение (менее 10 градусов) в любую сторону, позвоночный узел все еще будет передавать нагрузку (или переводить) за счет непосредственного контакта.
Наклон в любую сторону и положение на коленях
[00118] Как только наклонное движение пользователя превышает отклонение в 10 градусов, позвоночник обычно растягивается, следуя определенной схеме: поясничная секция смещается больше, чем другие секции; другие секции смещаются аналогичным образом.
[00119] Как показано на фиг. 23, при растяжении позвоночника обычно происходит смещение между каждым местом контакта 111, 112 позвонков, при котором разъединяется контакт сферической поверхности, поддерживающей нагрузку в прямом положении. Для продолжения передачи нагрузки узел использует внутренний трубчатый контакт внутри позвонка 115. Именно эти два контакта, созданные местами контакта 111, 112 и 116, 117 каркаса, теперь переносят нагрузку. Данный механизм идентифицирован как каркас.
[00120] Как показано на фиг. 23, по мере того как конструкция каркаса растягивается, между позвонками 131-136 образуется больший угол изгиба (см. фиг. 8); поэтому, чем больше наклонное движение, тем в большей степени увеличивается смещение позвонков 131-136 (см. фиг. 8), и тем более гибкими они становятся. Поясничные позвонки смещаются так сильно, что в них встраивают телескопический механизм 113, 114 для компенсации излишнего смещения, которое происходит в положении «на коленях». Для обеспечения надлежащего функционирования всей системы, детали устройства позвоночного узла должны соответствующим образом удерживаться вместе на пользователе. Вследствие этого, в конструкцию данного позвоночного узла обязательно встраивают пружины, эластичные элементы и текстильные фиксаторы.
Пружины, эластичные элементы и текстильные фиксаторы
[00121] Пружину вставляют внутрь каждого позвонка 131-136 (см. фиг. 8); данная пружина отталкивает другой позвонок 131-136 (см. фиг. 8) в сторону (см. фиг. 22). Специальную пружину вставляют в поясничную секцию для активации телескопического механизма Поясничных позвонков (см. фиг. 22). Единый узел затем затягивают эластичным элементом, который стягивает весь позвоночный узел вместе (см. фиг. 24-25).
Самонастройка
[00122] Данный механизм предпочтительно является самонастраивающимся, так что движение с грузом на плече не требует никаких усилий.
[00123] При перемещении пользователя инициируется небольшое смещение (от центра тела) положения вектора нагрузки; данное смещение обычно задействует позвонки 131-136 (см. фиг. 8), которые тянут всю систему (тело + экзоскелет) в направлении движения.
[00124] Груз, переносимый пользователем на груди, плечах и/или спине по меньшей мере частично поддерживается плечевым элементом 110 и позвоночным узлом 120 секции 100 туловища. Нагрузка, таким образом, направляется в сторону спины и вдоль позвоночного узла 120, который далее направляет ее вниз к секции 200 тазобедренного сустава. Секция 200 тазобедренного сустава разделяет нагрузку на две части по мере того как она перенаправляется на левый и правый тазобедренные элементы 220L и 220R. Левый и правый тазобедренные элементы 220L и 220R далее перенаправляют нагрузку вниз по левой 300L и правой 300R секциям нижних конечностей, соответственно. Секции 300L и 300R нижних конечностей затем перенаправляют нагрузку от внешней части нижних конечностей в направлении внутренней части нижних конечностей, так чтобы, наконец, произвести контакт с опорной поверхностью вблизи внутренней части ступни пользователя.
[00125] Таким образом, когда пользователь, носящий экзоскелет 10, стоит, идет, бежит, стоит на коленях, на корточках и т.д., данный экзоскелет 10 берет по меньшей мере часть нагрузки, которая приложена к туловищу пользователя, снимает ее с тела и перенаправляет ее в направлении опорной поверхности под ступнями пользователя.
[00126] Обычно, экзоскелет 10 в основном изготавливают из титана или другого легкого сплава. Хотя некоторые компоненты экзоскелета 10 могут быть изготовлены из композитного материала, например, углеродного волокна или арамида и/или комбинации обоих, однако шарнирно-сочлененные механизмы и позвонок остаются выполненными из титана. Для дополнительного уменьшения веса, титан может выполняться в виде разреженного материала (т.е. металлического сплава, содержащего внедренные газовые пузырьки).
[00127] Объем формулы изобретения не должен ограничиваться предпочтительными вариантами осуществления, изложенными в примерах, но должен быть представлен в широком понимании в соответствии с описанием в целом.