ГРУЗОВОЙ ЭКЗОСКЕЛЕТ С НАСТРОЙКОЙ ПОД АНТРОПОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ
CARGO EXOSKELETON WITH ADJUSTMENT FOR ANTHROPOMETRIC PARAMETERS OF THE USER

Изобретение относится к области удовлетворения жизненных потребностей человека и может быть использовано в туризме, спорте, при производстве строительных и монтажных работ и при проведении спасательных и армейских операций.
Заявляемая конструкция, прежде всего, предназначена для снятия нагрузки с мышц и скелета человека при переноске тяжестей. Экзоскелет, принимая на себя вертикальную составляющую веса груза, разгружает позвоночник, суставы и ноги человека при ходьбе, поэтому устройство также может использоваться и в медицинской технике, в частности в травматологии и ортопедии.
Известен пассивный грузовой экзоскелетон по патенту РФ 2362598 (опубл. 27.07.2009), содержащий каркас с элементами крепления к туловищу, две пары тазобедренных и голеностопных рычагов, соединенных между собой посредством коленных шарниров с элементами фиксации, и шарнирно связанных свободными концами с каркасом и опорами стоп, где каркас выполнен в виде корсета из двух частей, с укрепленными на нем продольными направляющими, переходящими с передней на заднюю часть корсета, при этом соединение рычагов с каркасом осуществляется посредством компенсатора, установленного с возможностью перемещения по направляющим при изменении угла между каркасом и тазобедренным рычагом, а рычаги выполнены в виде пространственных оболочек, размещаемых с возможностью фиксации на передней части бедра и голени элементами крепления, а элемент крепления к опорам стоп выполнен в виде шарнирного узла, фиксируемого на обуви с возможностью поворота стопы вокруг трех осей координат. Данное решение рассматривается заявителем в качестве аналога.
Недостатком известной конструкции является недостаточная подвижность корпуса, недостаточно высокие эргономические характеристики использования и безопасности перемещения.
Известен экзоскелетон по патенту РФ №2493805 (публ. 27.09.2013), содержащий опорные стойки и башмаки, который включает траверсу с шарниром на ее центральной части, в котором вращается вал, при этом на концах траверсы установлены шарниры и упорные подшипники, в которых вращаются опорные стойки. Причем экзоскелетон вмонтирован в одетый на человека комбинезон, с помощью которого траверса закреплена на тазобедренной части, ноги соединены с башмаками, а вал снабжен рычагами, которые связаны с мышечной системой туловища и плеч, являющейся приводом вала. Недостатками известного решения являются то, что элементы устройства вмонтированы в комбинезон, при этом опорные стойки размещены по бокам, что позволяет снимать и одевать устройство только целиком, что ухудшает его эргономику.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является грузовой экзоскелет по патенту РФ №2563209 (опубл. 20.09.2015), содержащий одну пару ножных опор с элементами крепления к ногам человека, включающую по одной паре коленных и голеностопных шарнирных сочленений, одну пару опор стоп, тазовый узел с смонтированными на нем боковыми и задними тазовыми шарнирами, одну пару соединительных элементов, один конец каждого из которых соединен с боковым тазовым шарниром и по одной паре бедренных и голенных звеньев, выполненных в виде пространственных оболочек, соединенных между собой посредством соответствующих коленных шарнирных сочленений, при этом пшенные звенья через соответствующие голеностопные шарнирные сочленения связаны свободными концами с опорами стоп, при этом ось поворота голеностопных шарнирных сочленений в сагиттальной плоскости совпадает с осью поворота стопы человека в сагиттальной плоскости, а также одну пару бедренных шарниров - первых кинематических пар, первые элементы которых - дуговые направляющие в форме дуг соосных окружностей выполнены в корпусе бедренных шарниров, смонтированном на соответствующем бедренном звене, а второй элемент выполнен с возможностью перемещения по указанной дуговой направляющей и соединен с другим концом вышеуказанного соединительного элемента с возможностью настройки под антропометрические параметры пользователя взаимного расположения соединительного элемента и ползуна - второго элемента первой кинематической пары - бедренного шарнира в сагиттальной плоскости по вертикали и горизонтали с их последующей фиксацией, настройки под антропометрические параметры оператора взаимного расположения соединительного элемента и ползуна - второго элемента первой кинематической пары - бедренного шарнира в сагиттальной плоскости по вертикали и горизонтали с их последующей фиксацией, при этом бедренные шарниры обеспечивают возможность относительного поворота тазового узла и бедренных звеньев в горизонтальной плоскости относительно вертикальных осей, проходящих через вертикальные оси бедер человека в месте их размещения, при этом оси вращения соответствующих задних, боковых и бедренных шарниров перпендикулярны друг другу.
Данное техническое решение имеет ряд недостатков.
Используемые в данной конструкции соединительные элементы, выполнены жесткими, что создает ударную нагрузку на сочленения экзоскелета и, как результат, ухудшает эргономические характеристики и эксплуатационную надежность экзоскелета.
Так в данной конструкции коленное шарнирное сочленение каждой ножной опоры выполнено в виде соединенных винтами через подшипники скольжения пространственных оболочек бедра и голени, причем подшипники скольжения расположены с медиальной и латеральной сторон колена соосно с осью вращения коленного сустава пользователя. При этом в конструкции коленного шарнирного сочленения отсутствуют элементы, обеспечивающие «запирание» шарнира при определенном угле замыкания колена, тем самым препятствуя его излому в сагиттальной плоскости.
Данные факторы негативно сказываются на безопасности пользователя.
Также в конструкции данного экзоскелета не предусматривается снятие нагрузки с мышц и скелета человека при размещении груза со стороны передней части торса человека, что ограничивает функциональные возможности экзоскелета. Кроме того, перенос груза в этом экзоскелете возможен только при запертом спинном кардане, но наклониться с грузом пользователь не может. Отпереть же спинной кардан пользователь может, только закинув руки назад, что создает неудобство для пользователя и ухудшает эргономические характеристики экзоскелета.
В данной конструкции тазобедренное шарнирное соединение, обеспечивающее возможность вращения ног пользователя в тазобедренных суставах вокруг трех взаимно перпендикулярных осей, включает кольцевой кардан и бедренный шарнир.
Но при этом в точке, совпадающей с центром вращения тазобедренного сустава человека, пересекаются только вертикальная (продольная) и фронтальная (поперечная) оси, а сагиттальная ось не проходит через центр этого сустава, что нарушает естественное движение его ног и отрицательно влияет на эргономические характеристики экзоскелета.
Кроме того, в данной конструкции экзоскелета бедренные шарниры - ползуны являются подшипниками скольжения и выполнены с возможностью восприятия только незначительных вертикальной и радиальной относительно вертикальной оси бедра нагрузок, а также моментов во фронтальной и сагиттальной плоскостях, при превышении которых возможны заклинивания бедренных шарниров, что в свою очередь, отрицательно сказывается на эксплуатационной надежности экзоскелета и безопасности пользователя.
Кроме того, из элементов, позволяющих осуществлять регулировку геометрических параметров экзоскелета под антропометрические параметры пользователя, в данной конструкции имеются только пластины плечевого блока, выполненные с возможностью регулировки их длины. А это вынуждает изготавливать данное изделие персонально, что резко ограничивает его функциональные возможности.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное решение, является улучшение эргономических характеристик и расширение функциональных возможностей и повышение эксплуатационной надежности экзоскелета, а также повышение безопасности пользователя.
Для достижения указанного технического результата в грузовой экзоскелет, содержащий одну пару ножных опор с элементами крепления к ногам человека, включающую по одной паре коленных и голеностопных шарнирных сочленений, одну пару опор стоп, тазовый узел с смонтированными на нем боковыми и задними тазовыми шарнирами, одну пару соединительных элементов, один конец каждого из которых соединен с боковым тазовым шарниром и по одной паре бедренных и голенных звеньев, выполненных в виде пространственных оболочек, соединенных между собой посредством соответствующих коленных шарнирных сочленений, при этом голенные звенья через соответствующие голеностопные шарнирные сочленения связаны свободными концами с опорами стоп, при этом ось поворота голеностопных шарнирных сочленений в сагиттальной плоскости совпадает с осью поворота стопы человека в сагиттальной плоскости, а также одну пару бедренных шарниров - первых кинематических пар, первые элементы которых - дуговые направляющие в форме дуг соосных окружностей выполнены в корпусе бедренных шарниров, смонтированном на соответствующем бедренном звене, а второй элемент выполнен с возможностью перемещения по указанной дуговой направляющей и соединен с другим концом вышеуказанного соединительного элемента с возможностью настройки под антропометрические параметры пользователя взаимного расположения соединительного элемента и ползуна - второго элемента первой кинематической пары - бедренного шарнира в сагиттальной плоскости по вертикали и горизонтали с их последующей фиксацией, настройки под антропометрические параметры оператора взаимного расположения соединительного элемента и ползуна - второго элемента первой кинематической пары - бедренного шарнира в сагиттальной плоскости по вертикали и горизонтали с их последующей фиксацией, при этом бедренные шарниры обеспечивают возможность относительного поворота тазового узла и бедренных звеньев в горизонтальной плоскости относительно вертикальных осей, проходящих через вертикальные оси бедер человека в месте их размещения, при этом оси вращения соответствующих задних, боковых и бедренных шарниров перпендикулярны друг другу, введены шасси с элементами крепления к талии человека, спинно-грудной узел с элементами крепления к плечам человека, при этом тазовый узел выполнен из левой и правой частей, каждая из которых через соответствующий тазовый задний шарнир шарнирно соединена с шасси с возможностью поворота относительно шасси во фронтальной плоскости, при этом бедренные шарниры выполнены с возможностью восприятия вертикальной и радиальной относительно вертикальной оси бедра нагрузку, а также моментов во фронтальной и сагиттальной плоскостях, при этом оси вращения соответствующих задних, боковых и бедренных шарниров пересекаются в одной точке, совпадающей с центром вращения соответствующего тазобедренного сустава человека, при этом спинно-грудной узел соединен с шасси и выполнен в виде жесткой конструкции, размещенной вокруг торса человека и обеспечивающей неизменным расстояние между передней и задней частями спинно-грудного узла под нагрузкой и с возможностью регулирования ее ширины, толщины, высоты и угла наклона передней части, возможностью обеспечения ее прилегания к верхней части груди, спины и боков человека и возможностью перемещения относительно шасси по криволинейной траектории в сагиттальной плоскости, проходящей через позвоночник человека в соответствии с его изгибом, при этом каждое коленное шарнирное сочленение экзоскелета выполнено обеспечивающим запирание этого шарнирного сочленения в положении ноги человека, близком к выпрямленному состоянию, и с возможностью обеспечения требуемого угла замыкания колена человека, при этом ось поворота голеностопных шарнирных сочленений во фронтальной плоскости совпадает с осью поворота стопы человека во фронтальной плоскости, при этом экзоскелет выполнен с возможностью регулирования величины обхвата нижней и верхней частей и длины бедер, величины обхвата нижней и верхней частей и длины голеней, и величины обхвата пяточной части и высоты стопы человека.
Предпочтительно, что при этом в качестве соединительных элементов использованы стойки-амортизаторы.
Предпочтительно, что при этом дуговые направляющие бедренных шарниров выполнены в виде направляющих качения в форме соосных дуг окружностей, обеспечивающих относительные перемещения второго элемента первой кинематической пары относительно бедренного звена посредством тел качения.
Предпочтительно, что при этом каждое коленное шарнирное сочленение экзоскелета выполнено полицентрическим.
Предпочтительно, что при этом каждое коленное шарнирное сочленение экзоскелета выполнено обеспечивающим мягкое запирание этого шарнирного сочленения.
Предпочтительно, что при этом спинно-грудной узел содержит нагрудник, пару грудных шарниров - вторых кинематических пар, спинку, спинной шарнир - третью кинематическую пару, пару фиксаторов нагрудника, пару передних уголков, одна полка каждого из которых жестко соединена с нагрудником, пару задних уголков, одна полка каждого из которых жестко соединена со спинкой, пару кронштейнов, один конец каждого из которых жестко соединен со свободной полкой соответствующего заднего уголка, пару составных рычагов, каждый из которых включает нижнюю, верхнюю, среднюю и накладную части, при этом нижняя часть каждого составного рычага выполнена Г-образной и один ее конец расположен во фронтальной плоскости и выполнен с возможностью жесткого соединения с шасси через соответствующий задний тазовый шарнир, при этом верхняя, средняя и накладная части составного рычага расположены в сагиттальной плоскости, при этом другой конец нижней части составного рычага также расположен в сагиттальной плоскости и соединен с одним концом средней части составного рычага, соединенной с накладной частью составного рычага, один конец которой соединен с одним концом верхней части составного рычага, другой конец которой соединен с другой полкой переднего уголка с помощью фиксатора нагрудника, при этом первый элемент второй кинематической пары - грудного шарнира выполнен в виде первого сквозного криволинейного паза - направляющей в верхней части составного рычага, а второй элемент - выполнен в виде первого ролика, смонтированного на свободном конце соответствующего кронштейна с возможностью вращения в сагиттальной плоскости.
Предпочтительно, что при этом спинной шарнир содержит корпус, выполненный с возможностью жесткого соединения с шасси, язык, выполненный с возможностью жесткого соединения со спинкой, при этом в корпусе выполнен второй паз - направляющая для размещения и передвижения в нем языка, при этом язык и второй паз - направляющая в сагиттальной плоскости имеют профиль аналогичный профилю линии, проходящей через позвоночник человека в соответствии с его изгибом в сагиттальной плоскости.
Предпочтительно, что при этом бедренный шарнир - первая кинематическая пара содержит выполненные в виде секторов колец второй элемент пары - ползун с двумя наружными дорожками качения и первый элемент кинематической пары - корпус с двумя внутренними дорожками качения, два сепаратора в форме секторов колец с гнездами, в которых расположены тела качения, установленные между смежными внешними и внутренними дорожками качения, при этом центры всех вышеперечисленных секторов колец лежат на вертикальной оси бедра пользователя в месте его предполагаемого размещения, при этом корпус бедренного шарнира выполнен с возможностью присоединения его к бедренному звену, а ползун - со свободным концом соответствующего соединительного элемента.
Предпочтительно, что при этом коленное шарнирное сочленение содержит латеральный и медиальный полицентрические механизмы, каждый из которых состоит из корпуса - водилы и двух рычагов в виде пластин, одни концы которых выполнены с возможностью соединения с латеральной или медиальной сторонами соответствующего звена или экзоскелета и обеспечения настроек коленного шарнирного сочленения под реальные размеры величины обхвата нижней части и длины бедер и величины обхвата верхней части и длины голеней человека, а другие концы выполнены в виде зубчатых секторов, зацепленных между собой зубьями, и содержат выступы - упоры, упирающиеся друг в друга через надетые на них упругие насадки в положении ноги человека близком к выпрямленному, причем оси вращения этих секторов в радиальном и осевом направлениях зафиксированы в жестком корпусе - водиле.
Предпочтительно, что при этом голеностопное шарнирное сочленение содержит латеральную и медиальную направляющие, жестко смонтированные вдоль голенного звена соответственно на его латеральной и медиальной сторонах, смонтированные с возможностью перемещения вдоль указанных направляющих латеральные и медиальные ползуны с установленными на одном из концов каждого ползуна соответствующими сферическими шарнирными узлами, каждый из которых включает соединенный с вышеупомянутым концом соответствующего ползуна корпус с жестко смонтированным в нем шаровым поясом со сферической внутренней поверхностью скольжения, и сопряженной с ним посредством наружной сферической поверхности шаровой головкой с отверстием по оси головки для размещения соосно расположенных во фронтальной плоскости экзоскелета пальцев, закрепленных на латеральной и медиальной частях опор стопы с осями, расположенными параллельно опорной части опоры стопы с возможностью регулировки положения пальцев по вертикали и горизонтали в сагиттальной плоскости, при этом шаровая головка выполнена с возможностью перемещения вдоль осей пальцев и с возможностью вращения вокруг трех осей координат.
Предпочтительно, что при этом ось поворота голеностопного шарнирного сочленения в сагиттальной плоскости совпадает с осью вращения голеностопного сустава пользователя в сагиттальной плоскости.
Предпочтительно, что при этом настройка геометрических параметров экзоскелета под антропометрические параметры пользователя обеспечивается за счет того, что смежные элементы экзоскелета выполнены с возможностью изменения и последующей фиксации их линейных размеров и/или их взаимного расположения и/или их взаимной угловой ориентации.
Предпочтительно, что при этом настройка толщины спинно-грудного узла экзоскелета под передне-задний размер грудной клетки пользователя обеспечивается за счет того, что смежные части составного рычага и, соответственно, кронштейн и задний уголок выполнены с возможностью изменения и последующей фиксации их взаимного расположения.
Предпочтительно, что при этом настройка ширины спинно-грудного узла экзоскелета под поперечный размер грудной клетки пользователя обеспечивается за счет того, что смежные части передних уголков и нагрудника и, соответственно, задних уголков и спинки выполнены с возможностью изменения и последующей фиксации их взаимного расположения.
Предпочтительно, что при этом настройка угла наклона нагрудника спинно-грудного узла относительно шасси под форму передней части грудной клетки пользователя обеспечивается за счет того, что средняя и нижняя части и, соответственно, верхняя и накладная части составного рычага выполнены с возможностью изменения их взаимной угловой ориентации.
Предпочтительно, что при этом настройка ширины тазового узла под ширину таза пользователя обеспечивается за счет того, что левая и правая части тазового узла выполнены с возможностью изменения и последующей фиксации их взаимного расположения по горизонтали относительно шасси.
Предпочтительно, что при этом настройка ножной опоры под величину обхвата пяточной части и высоты стопы пользователя обеспечивается за счет того, что медиальная и латеральная части опоры стопы и фланцы соответствующих им шаровых пальцев выполнены с возможностью изменения и последующей фиксации их взаимного расположения в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Предпочтительно, что при этом настройка ножной опоры под величину обхвата нижней части голени пользователя обеспечивается за счет того, что медиальная часть голенного звена и медиальная направляющая голенного звена, а также латеральная часть голенного звена и латеральная направляющая голенного звена, выполнены с возможностью изменения и последующей фиксации их взаимного расположения в горизонтальной плоскости.
Предпочтительно, что при этом настройка ножной опоры под величину обхвата верхней части голени пользователя обеспечивается за счет того, что латеральная часть голенного звена и латеральный нижний рычаг, а также медиальная часть голенного звена и медиальный нижний рычаг выполнены с возможностью изменения и последующей фиксации их взаимного расположения в горизонтальной плоскости.
Предпочтительно, что при этом настройка ножной опоры под длину голени пользователя обеспечивается за счет того, что латеральная часть голенного звена, латеральный нижний рычаг и латеральная направляющая голенного звена, а также медиальная часть голенного звена, медиальный нижний рычаг и медиальная направляющая голенного звена выполнены с возможностью изменения и последующей фиксации их взаимного расположения в вертикальной плоскости.
Предпочтительно, что при этом настройка ножной опоры под величину обхвата нижней части бедра пользователя обеспечивается за счет того, что латеральная часть бедренного звена и латеральный верхний рычаг, а также медиальная часть бедренного звена и медиальный верхний рычаг выполнены с возможностью изменения и последующей фиксации их взаимного расположения в горизонтальной плоскости.
Предпочтительно, что при этом настройка ножной опоры под величину обхвата верхней части бедра пользователя обеспечивается за счет того, что латеральный конец ползуна и нижний конец соединительного элемента выполнены с возможностью изменения и последующей фиксации их взаимного расположения в горизонтальной плоскости.
Предпочтительно, что при этом настройка ножной опоры под длину бедра пользователя обеспечивается за счет того, что латеральный конец ползуна и нижний конец соединительного элемента, латеральная часть бедренного звена и латеральный верхний рычаг, а также медиальная часть бедренного звена и медиальный верхний рычаг выполнены с возможностью изменения и последующей фиксации их взаимного расположения в вертикальной плоскости.
Предпочтительно, что при этом настройка геометрических параметров экзоскелета под антропометрические параметры пользователя обеспечивается за счет того, что смежные элементы экзоскелета содержат группы отверстий для установки в них разъемных соединений, обеспечивающих возможность фиксации линейных размеров указанных смежных элементов и/или их взаимного расположения и/или их взаимной угловой ориентации.
На фиг. 1 изображен в общем виде грузовой экзоскелет - вид спереди, на фиг. 2 - вид сзади, на фиг. 3 - вид сбоку.
На фиг. 4 показана конструкция спинно-грудного узла экзоскелета, а на фиг. 5 - кинематическая схема тазобедренного шарнирного сочленения.
На фиг. 6, 7, 8 и 9 изображены элементы конструкции бедренного шарнира, а на фиг. 10, 11 и 12 - элементы конструкции тазового узла.
На фиг. 13 и 14 изображено коленное шарнирное сочленение, а на фиг. 15, 16 и 17 - голеностопное шарнирное сочленение грузового экзоскелета.
На фиг. 1-17 обозначены:
1 - ножная опора;
2 - элемент крепления бедренного звена к бедру человека;
3 - элемент крепления голенного звена к голени человека;
4 - элемент крепления опоры стопы к ступне человека;
5 и 6 - коленное и, соответственно, голеностопное шарнирные сочленения;
7 - опора стопы;
8 и 9 - бедренное и, соответственно, голенное звено;
10 - спинно-грудной узел;
11 - элемент крепления спинно-грудного узла к плечам человека - лямки;
12 - шасси;
13 -соединительный элемент;
14 - тазовый узел;
15 и 16 - левая и, соответственно, правая части тазового узла 14;
17 - бедренный шарнир - первая кинематическая пара;
18 - нагрудник;
19 - грудной шарнир - вторая кинематическая пара;
20 - спинка;
21 - спинной шарнир - третья кинематическая пара;
22 - фиксатор нагрудника;
23 - передний уголок;
24 - задний уголок;
25 - кронштейн;
26 - составной рычаг;
27, 28, 29 и 30 - соответственно нижняя, верхняя, средняя и накладная части составного рычага 26;
31 - элемент крепления шасси к талии человека - пояс;
32 - первый сквозной криволинейный паз - направляющая - первый элемент второй кинематической пары;
33 - первый ролик - второй элемент второй кинематической пары;
34 - корпус спинного шарнира 21;
35 - язык спинного шарнира 21;
36 - второй ролик;
38 - третий и четвертый пазы - направляющие;
39 - ползун - второй элемент первой кинематической пары - бедренного шарнира 17;
40 - корпус бедренного шарнира 17- первый элемент первой кинематической пары;
41 - латеральная направляющая голенного звена;
42 - дорожки качения направляющих корпуса 40;
43 - дорожки качения направляющих ползуна 39;
44 - сепаратор;
45 -гнезда для тел качения;
46 - тела качения;
47 и 48 - латеральный и, соответственно, медиальный полицентрические механизмы;
49, 50 - корпус - водило;
51 и 52 - верхний и, соответственно, нижний латеральные рычаги;
53 и 54 - верхний и, соответственно, нижний медиальные рычаги;
55 и 56 - зубчатые секторы;
57 и 58 - выступы - упоры;
59 и 60 - оси вращения зубчатых секторов 55 и 56;
61 и 62 - задний и, соответственно, боковой тазовый шарнир;
63 - насадка из упругого материала;
64 - фиксатор ножной опоры;
65, 66, 67, 68, 69, 70 - элементы регулировки геометрических параметров спинно-грудного узла;
71, 72, 73, 74, 75 - элементы регулировки геометрических параметров ножных опор.
76, 77 и 78 - оси вращения тазовых боковых, тазовых задних и, соответственно, бедренных шарниров;
79, 80 - сферические шарнирные узлы;
81 - корпус сферического шарнирного узла;
82 - шаровой пояс;
83 - шаровая головка;
84 - отверстие по оси шаровой головки;
85 - ось шаровой головки;
86 - палец;
87 - латеральная часть опоры стопы;
88 - медиальная часть опоры стопы;
89, 90 - оси пальцев;
91 - медиальная направляющая голенного звена;
92, 93 - латеральные и медиальные ползуны соответственно;
94 - крепежные элементы для крепления груза.
Грузовой экзоскелет содержит одну пару ножных опор 1 с элементами 2, 3 и 4 крепления к ногам человека, включающую по одной паре коленных 5 и голеностопных 6 шарнирных сочленений, одну пару опор 7 стоп, тазовый узел 14 со смонтированными на нем боковыми 62 и задними 61 тазовыми шарнирами, одну пару соединительных элементов 13, один конец каждого из которых соединен с боковым 62 тазовым шарниром и по одной паре бедренных 8 и голенных 9 звеньев, выполненных в виде пространственных оболочек, соединенных между собой посредством соответствующих коленных 5 шарнирных сочленений, при этом голенные звенья 9 через соответствующие голеностопные 6 шарнирные сочленения связаны свободными концами с опорами 7 стоп, при этом ось поворота голеностопных 6 шарнирных сочленений в сагиттальной плоскости совпадает с осью поворота стопы человека в сагиттальной плоскости, а также одну пару бедренных шарниров 17 - первых кинематических пар, первые элементы которых - дуговые направляющие 42 в форме дуг соосных окружностей выполнены в корпусе 40 бедренных шарниров 17, смонтированном на соответствующем бедренном 8 звене, а второй элемент 39 выполнен с возможностью перемещения по указанной дуговой направляющей 42 и соединен с другим концом вышеуказанного соединительного элемента 13 с возможностью настройки под антропометрические параметры оператора взаимного расположения соединительного элемента 13 и ползуна 39 - второго элемента первой кинематической пары - бедренного шарнира 17 в сагиттальной плоскости по вертикали и горизонтали с их последующей фиксацией, при этом бедренные шарниры 17 обеспечивают возможность относительного поворота тазового узла 14 и бедренных звеньев 8 в горизонтальной плоскости относительно вертикальных осей, проходящих через вертикальные оси бедер человека в месте их размещения, при этом оси вращения соответствующих задних 61, боковых 62 и бедренных 17 шарниров перпендикулярны друг другу.
Кроме того, грузовой экзоскелет содержит шасси 12 с элементами 31 крепления к талии человека, спинно-грудной узел 10 с элементами 11 крепления к плечам человека, при этом тазовый узел 14 выполнен из левой 15 и правой 16 частей, каждая из которых через соответствующий тазовый задний шарнир 61 шарнирно соединена с шасси 12 с возможностью поворота относительно шасси 12 во фронтальной плоскости, при этом бедренные шарниры 17 выполнены с возможностью восприятия вертикальной и радиальной относительно вертикальной оси бедра нагрузки, а также моментов во фронтальной и сагиттальной плоскостях, при этом оси вращения соответствующих задних 61, боковых 62 и бедренных 17 шарниров пересекаются в одной точке, совпадающей с центром вращения соответствующего тазобедренного сустава человека, при этом спинно-грудной узел 10 соединен с шасси 12 и выполнен в виде жесткой конструкции, размещенной вокруг торса человека и обеспечивающей неизменным расстояние между передней и задней частями спинно-грудного узла 10 под нагрузкой и с возможностью регулирования ее ширины, толщины, высоты и угла наклона передней части, возможности обеспечения ее прилегания к верхней части груди, спины и боков человека и возможности перемещения относительно шасси 12 по криволинейной траектории в сагиттальной плоскости, проходящей через позвоночник человека в соответствии с его изгибом, при этом каждое коленное шарнирное сочленение 5 экзоскелета выполнено обеспечивающим запирание этого шарнирного сочленения 5 в положении ноги человека близкому к выпрямленному состоянию и с возможностью обеспечения требуемого угла замыкания колена человека, при этом ось поворота голеностопных шарнирных сочленений 6 во фронтальной плоскости совпадает с осью поворота стопы человека во фронтальной плоскости, при этом экзоскелет выполнен с возможностью регулирования величины обхвата нижней, верхней частей и длины бедер, величины обхвата нижней, верхней частей и длины голеней, и величины обхвата пяточной части и высоты стопы человека.
Кроме того, в качестве соединительных элементов 13 использованы стойки-амортизаторы, позволяющие уменьшить удары при ходьбе.
Кроме того, дуговые направляющие 42 бедренных шарниров 17 выполнены в виде направляющих качения в форме соосных дуг окружностей, обеспечивающих относительные перемещения второго элемента 39 первой кинематической пары относительно бедренного 8 звена посредством тел качения 46, что позволяет оператору вращать ногой вокруг ее вертикальной оси, когда экзоскелет находится под нагрузкой.
Кроме того, каждое коленное шарнирное сочленение 5 экзоскелета выполнено полицентрически. Кроме того, каждое коленное шарнирное сочленение 5 экзоскелета выполнено обеспечивающим мягкое запирание этого шарнирного сочленения 5.
Кроме того, спинно-грудной узел содержит нагрудник 18, пару грудных шарниров 19 - вторых кинематических пар, спинку 20, спинной шарнир 21 - третью кинематическую пару, пару фиксаторов 22 нагрудника 18, пару передних 23 уголков, одна полка каждого из которых жестко соединена с нагрудником 18, пару задних 24 уголков, одна полка каждого из которых жестко соединена со спинкой 20, пару кронштейнов 25, один конец каждого из которых жестко соединен со свободной полкой соответствующего заднего 24 уголка, пару составных 26 рычагов, каждый из которых включает нижнюю 27, верхнюю 28, среднюю 29 и накладную 30 части, при этом нижняя часть 27 каждого составного 26 рычага выполнена Г-образной и один ее конец расположен во фронтальной плоскости и выполнен с возможностью жесткого соединения с шасси 12 через соответствующий задний тазовый 61 шарнир, при этом верхняя 28, средняя 29 и накладная 30 части составного рычага 26 расположены в сагиттальной плоскости, при этом другой конец нижней 27 части составного 26 рычага также расположен в сагиттальной плоскости и соединен с одним концом средней 29 части составного 26 рычага, соединенной с накладной 30 частью составного 26 рычага, один конец которой соединен с одним концом верхней 28 части составного 26 рычага, другой конец которой соединен с другой полкой переднего 23 уголка с помощью фиксатора 22 нагрудника, при этом первый элемент второй кинематической пары - грудного шарнира 19 выполнен в виде первого сквозного криволинейного паза - направляющей 32 в верхней 28 части составного рычага 26, а второй элемент - выполнен в виде первого ролика 33, смонтированного на свободном конце соответствующего кронштейна 25 с возможностью вращения в сагиттальной плоскости.
Кроме того, спинной шарнир 21 содержит корпус 34, выполненный с возможностью жесткого соединения с шасси 12, язык 35, выполненный с возможностью жесткого соединения со спинкой 20, при этом в корпусе 34 выполнен второй паз - направляющая 37 для размещения и передвижения в нем языка 35, при этом язык 35 и второй паз - направляющая 37 в сагиттальной плоскости имеют профиль аналогичный профилю линии, проходящей через позвоночник человека в соответствии с его изгибом в сагиттальной плоскости.
Кроме того, бедренный шарнир 17 - первая кинематическая пара содержит выполненные в виде секторов колец второй элемент пары - ползун 39 с двумя наружными дорожками качения 43 и первый элемент кинематической пары - корпус 40 с двумя внутренними дорожками качения 42 смежными соответствующим наружным дорожкам качения 43, два сепаратора 44 в форме секторов колец с гнездами 45, в которых расположены тела качения 46, установленные между смежными наружными 43 и внутренними 42 дорожками качения, при этом центры всех вышеперечисленных секторов колец лежат на вертикальной оси бедра пользователя в месте его предполагаемого размещения, при этом корпус 40 бедренного шарнира выполнен с возможностью присоединения его к бедренному звену 8, а ползун 39 - со свободным концом соответствующего соединительного элемента 13.
Кроме того, коленное шарнирное сочленение 5 содержит латеральный 47 и медиальный 48 полицентрические механизмы, каждый из которых состоит из корпуса - водилы 49 (50) и двух рычагов 51 и52 (53 и 54)в виде пластин, одни концы которых выполнены с возможностью соединения с латеральной или медиальной сторонами соответствующего звена 8 или 9 экзоскелета и обеспечения настроек коленного шарнирного сочленения 5 под реальные размеры величины обхвата нижней части и длины бедер и величины обхвата верхней части и длины голеней человека, а другие концы выполнены в виде зубчатых секторов 55 и 56, зацепленных между собой зубьями, и содержат выступы - упоры 57 и 58, упирающиеся друг в друга через надетые на них упругие насадки 63 в положении ноги человека, близком к выпрямленному, причем оси 59 и 60 вращения этих секторов 55 и 56 в радиальном и осевом направлениях зафиксированы в жестком корпусе - водиле 49.
Кроме того, голеностопное шарнирное сочленение 6 содержит латеральную 41 и медиальную 91 направляющие, жестко смонтированные вдоль голенного 9 звена соответственно на его латеральной и медиальной сторонах, смонтированные с возможностью перемещения вдоль указанных направляющих 41 и 91, латеральные 92 и медиальные 93 ползуны с установленными на одном из концов каждого ползуна соответствующими сферическими шарнирными узлами 79 и 80, каждый из которых включает соединенный с вышеупомянутым концом соответствующего ползуна 92 (93) корпус сферического шарнирного узла 81 с жестко смонтированным в нем шаровым поясом 82 со сферической внутренней поверхностью скольжения, и сопряженной с ним посредством наружной сферической поверхности шаровой головкой 83 с отверстием 84 по оси 85 головки 83 для размещения соосно расположенных во фронтальной плоскости экзоскелета пальцев 86, закрепленных на латеральной 87 и медиальной 88 частях опор 7 стопы с осями 89 и 90, расположенными параллельно опорной части опоры 7 стопы с возможностью регулировки положения пальцев 86 по вертикали и горизонтали в сагиттальной плоскости, при этом шаровая головка 83 выполнена с возможностью перемещения вдоль осей 89, 90 пальцев 86 и с возможностью вращения вокруг трех осей координат.
Кроме того, ось поворота голеностопного шарнирного сочленения 6 в сагиттальной плоскости совпадает с осью вращения голеностопного сустава пользователя в сагиттальной плоскости.
Кроме того, настройка геометрических параметров экзоскелета под антропометрические параметры пользователя обеспечивается за счет того, что смежные элементы экзоскелета выполнены с возможностью изменения и последующей фиксации их линейных размеров и/или их взаимного расположения и/или их взаимной угловой ориентации.
Кроме того, настройка толщины спинно-грудного узла 10 экзоскелета под передне-задний размер грудной клетки пользователя обеспечивается за счет того, что смежные части составного рычага 26 и, соответственно, кронштейн 25 и задний уголок 24 выполнены с возможностью изменения и последующей фиксации их взаимного расположения.
Кроме того, настройка ширины спинно-грудного узла 10 экзоскелета под поперечный размер грудной клетки пользователя обеспечивается за счет того, что смежные части передних уголков 23 и нагрудника 18 и, соответственно, задних уголков 24 и спинки 20 выполнены с возможностью изменения и последующей фиксации их взаимного расположения.
Кроме того, настройка угла наклона нагрудника 18 спинно-грудного узла 10 относительно шасси 12 под форму передней части грудной клетки пользователя обеспечивается за счет того, что средняя 29 и нижняя 27 части и, соответственно, верхняя 28 и накладная 30 части составного рычага 26 выполнены с возможностью изменения их взаимной угловой ориентации.
Кроме того, настройка ширины тазового узла 14 под ширину таза пользователя обеспечивается за счет того, что левая 15 и правая 16 части тазового узла 14 выполнены с возможностью изменения и последующей фиксации их взаимного расположения по горизонтали относительно шасси 12.
Кроме того, настройка ножной опоры 1 под величину обхвата пяточной части и высоты стопы пользователя обеспечивается за счет того, что медиальная и латеральная части опоры 7 стопы и фланцы соответствующих им шаровых пальцев 86 выполнены с возможностью изменения и последующей фиксации их взаимного расположения.
Кроме того, настройка ножной опоры 1 под величину обхвата нижней части голени пользователя обеспечивается за счет того, что медиальная часть голенного звена 9 и медиальная направляющая 91 голенного звена, а также латеральная часть голенного звена 9 и латеральная направляющая 41 голенного звена, выполнены с возможностью изменения и последующей фиксации их взаимного расположения в горизонтальной плоскости.
Кроме того, настройка ножной опоры 1 под величину обхвата верхней части голени пользователя обеспечивается за счет того, что латеральная часть голенного звена 9 и латеральный нижний рычаг 52, а также медиальная часть голенного звена 9 и медиальный нижний рычаг 54 выполнены с возможностью изменения и последующей фиксации их взаимного расположения в горизонтальной плоскости.
Кроме того, настройка ножной опоры под длину голени пользователя обеспечивается за счет того, что латеральная часть голенного звена 9, латеральный нижний рычаг 52 и латеральная направляющая 41 голенного звена, а также медиальная часть голенного звена 9, медиальный нижний рычаг 54 и медиальная направляющая 91 голенного звена выполнены с возможностью изменения и последующей фиксации их взаимного расположения в вертикальной плоскости.
Кроме того, настройка ножной опоры 1 под величину обхвата нижней части бедра пользователя обеспечивается за счет того, что латеральная часть бедренного звена 8 и латеральный верхний рычаг 51, а также медиальная часть бедренного звена 8 и медиальный верхний рычаг 53 выполнены с возможностью изменения и последующей фиксации их взаимного расположения в горизонтальной плоскости.
Кроме того, настройка ножной опоры 1 под величину обхвата верхней части бедра пользователя обеспечивается за счет того, что латеральный конец ползуна 39 и нижний конец соединительного элемента 1 выполнены с возможностью изменения и последующей фиксации их взаимного расположения в горизонтальной плоскости.
Кроме того, настройка ножной опоры 1 под длину бедра пользователя обеспечивается за счет того, что латеральный конец ползуна 39 и нижний конец соединительного элемента 13, латеральная часть бедренного звена 8 и латеральный верхний рычаг 51, а также медиальная часть бедренного звена 8 и медиальный верхний рычаг 53 выполнены с возможностью изменения и последующей фиксации их взаимного расположения в вертикальной плоскости.
Кроме того, настройка геометрических параметров экзоскелета под антропометрические параметры пользователя обеспечивается за счет того, что смежные элементы экзоскелета содержат группы отверстий 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75 для установки в них разъемных соединений, обеспечивающих возможность фиксации линейных размеров указанных смежных элементов и/или их взаимного расположения и/или их взаимной угловой ориентации.
Использование грузового экзоскелета
Грузовой экзоскелет выполнен разборным. Предусмотрена возможность отсоединения ножных опор 1 от соединительного элемента 13 и нагрудника 18 от спинно-грудного узла 10. Кроме того, соединение ножных опор 1 с соединительным элементом 13 фиксируется с помощью фиксаторов 22 нагрудника 18, а соединение ножных опор 1 с тазовым узлом 14 - при помощи фиксаторов 64 ножных опор.
Имеются два варианта расположения груза:
- груз расположен так, что его центр тяжести находится позади корпуса экзоскелета (пользователя);
- груз расположен так, что его центр тяжести находится впереди корпуса экзоскелета (пользователя).
В обоих случаях груз прикрепляется к спинке 20 экзоскелета при помощи крепежных элементов 94.
В первом случае сила тяжести груза от спинки 20 передается на шасси 12 через спинной шарнир 21. Поскольку центр тяжести груза расположен от оси 76 бокового тазового шарнира 62 на некотором расстоянии (плече), то создается момент, поворачивающий шасси 12 вниз вокруг бокового тазового шарнира 62, что может привести к проседанию шасси 12. Этому препятствует нагрудник 18, который через систему рычагов 27, 28, 29 и 30 жестко связан с шасси 12.
При смещении шасси 12 вниз, нагрудник 18 упирается в грудь пользователя, что препятствует сильному проседанию шасси 12. Эффект разгрузки объясняется тем, что расстояние по вертикали от оси 76 бокового тазового шарнира 62 минимум в два раза больше, чем расстояние от центра тяжести груза до оси 76 бокового тазового шарнира 62, поэтому для достижения равновесия системы сила, действующая на грудь пользователя более, чем в два раза меньше силы тяжести груза. Кроме того, облегчение работы пользователя достигается отсутствием вертикальной силы и изгибающего момента на позвоночный столб пользователя.
Во втором случае - груз расположен спереди корпуса экзоскелета (пользователя).
В этом случае сила тяжести также передается от спинки 20 на шасси 12 через спинной шарнир 34. Ввиду того, что груз находится на некотором расстоянии от оси 76 бокового тазового шарнира 62, то он создает момент наклоняющий спинку 20 экзоскелета вперед. Данный момент парируется пользователем, т.к. спинка 20 упирается в спину оператора в районе плечевого пояса, который у человека обычно мощный. Ввиду того, что расстояние от точки контакта спины пользователя до оси 76 бокового тазового шарнира 62 минимум в 2 раза больше, чем расстояние от центра тяжести груза до оси 76 бокового шарнира, то и сила, воздействующая на спину оператора в районе плечевого пояса как минимум в два раза меньше силы тяжести груза.
Под действием силы тяжести груза на шасси 12 момент, поворачивающий шасси 12 вниз вокруг оси 76 бокового бедренного шарнира 62. Этот момент приводит к повороту шасси 12 и через систему рычагов 27-30 - нагрудника 18 назад, однако данное смещение ограничено жесткой в горизонтальном направлении конструкцией спинно-грудного узла, где усилия с нагрудника 18 передаются на спинку 20 через вторую кинематическую пару 19: паз направляющая 32 - ролик 33.
Далее нагрузка от шасси 12 передается через тазовые шарниры 62, соединительные элементы 13 и бедренные шарниры 17 на бедренные звенья 8, а далее через коленные шарнирные сочленения 5 на голенные звенья 9 и через голеностопные шарнирные сочленения 6 и опоры 7 стоп на опорную поверхность. В случае запирания коленных шарнирных сочленений 5 хотя бы на одной ноге происходит полная разгрузка пользователя, при неполном запирании коленных шарнирных сочленений 5 разгрузка носит неполный характер в соответствии с величиной угла сгиба колена.
Следовательно, как и в первом случае, вертикальная нагрузка, которую обычно испытывает человек при переноске груза, приходящаяся на позвоночный столб и суставы ног, при использовании экзоскелета в значительной степени перераспределена и заменена уменьшенной нагрузкой в горизонтальном направлении.
Таким образом, в отличие от технического решения с мягкими грудными лямками, используемыми в прототипе, наличие рычагов и шарниров, расположенных перед грудью пользователя и связанных с тазовой частью экзоскелета, позволяет перераспределить нагрузку на тазовую конструкцию экзоскелета не только со спины, но и с груди пользователя.
Следовательно, в отличие от прототипа, конструкция используемого в экзоскелете спинного шарнира 21 позволяет пользователю естественно наклоняться вперед как с грузом, так и без него.
Указанные факторы расширяют функциональные возможности экзоскелета.
Также, как было показано выше, в предлагаемом экзоскелете предусмотрена возможность настройки геометрических параметров спинно-грудного узла 10 в соответствии с обусловленными формой грудной клетки пользователя антропометрическими параметрами - шириной, высотой, передне-задним размером и углом наклона грудной клетки пользователя относительно его спины.
Средняя часть 29 и накладная часть 30 составного рычага 26 спинно-грудного узла 10 снабжены элементами 65 регулировки геометрических параметров спинно-грудного узла 10 - группами отверстий в виде двух пар рядов отверстий, выполненными с одинаковым шагом. Аналогичными рядами отверстий снабжены также кронштейн 25 и задний уголок 24. Таким образом, при перемещении средней части 29 относительно накладной части 30 составного рычага 26 и кронштейна 25 относительно заднего уголка 24 будет происходить изменение расстояния между нагрудником 18 и спинкой 20, т.е. изменение толщины спинно-грудного узла 10, что позволяет производить ее настройку под передне-задний размер грудной клетки пользователя.
Левый конец нижней части 27 и нижний конец средней части 29 составного рычага 26, а также верхний конец накладной части 30 и нижний конец верхней части 28 составного рычага 26 снабжены отверстиями, расположенными на дугах окружностей на одинаковых расстояниях от соседних, а также отверстиями, расположенными по центру этих окружностей. Зафиксировав положение оси вращения смежных элементов, можно изменять их взаимную угловую ориентацию, таким образом, изменяя угол наклона присоединенного к верхнему концу верхней 28 части нагрудника 18, что позволяет производить его настройку в соответствии с формой грудной клетки пользователя.
Вышеперечисленные настройки позволяют изменять геометрические параметры экзоскелета под антропометрические параметры пользователя, что расширяет функциональные возможности экзоскелета.
Также, как было показано выше, в предлагаемом экзоскелете предусмотрена возможность настройки геометрических параметров ножных опор экзоскелета на антропометрические параметры таза и ног пользователя - ширину и передне-задний размер тазового узла, величину обхвата и высоту стопы, величину обхвата нижней и верхней частей и длину голеней и величину обхвата и высоту стопы, величину обхвата нижней и верхней частей и длину бедер пользователя.
Таким образом, возможность указанных настроек экзоскелета на антропометрические параметры пользователя положительно влияет на эргономические характеристики экзоскелета и расширяет его функциональные возможности.
Кроме того, на обеспечение заявленных технических результатов оказывает влияние и ряд других конструктивных особенностей заявляемого технического решения.
Так, применение в качестве соединительного элемента 13 стойки - амортизатора уменьшает ударные нагрузки на пользователя и положительно сказывается на эргономических характеристиках экзоскелета.
Тазобедренное шарнирное сочленение, которое включает в себя в том числе боковые 62 и задние 61 тазовые шарниры и бедренный 17 шарнир, позволяет осуществлять естественные движения тазовым поясом пользователя, т.к. оси вращения 77, 76, 78 тазовых 61, 62 и бедренных 17 шарниров экзоскелета совпадают с осями тазобедренного сустава пользователя, а конструктивные решения бедренных шарниров 17 позволяют вращать ногой при нагруженном экзоскелете, что приводит к улучшению эргономических характеристик и повышению эксплуатационной надежности.
Конструктивные особенности выполнения коленных шарнирных сочленений 5 приводят к тому, что то при разгибании ноги пользователя обеспечивается более ранний выход шарнира в полностью распрямленное состояние, что приводит к естественному самозапиранию шарнира 5, а вертикальная нагрузка практически полностью передается на опору экзоскелета. Предусмотренные в конструкции коленного сочленения 5 выступы - упоры 57 и 58 играют вспомогательную роль, обеспечивая страховку от выгибания коленного сустава оператора в запрещенную сторону, а смонтированные на них насадки 63 из упругого материала способствуют мягкому запиранию коленного сочленения 5, что приводит к улучшению эргономических характеристик экзоскелета и повышению безопасности пользователя.
Таким образом, в предложенном техническом решении грузового экзоскелета действительно достигаются заявленные технические результаты:
- улучшение эргономических характеристик грузового экзоскелета;
- повышение эксплуатационной надежности грузового экзоскелета;
- расширение функциональных возможностей грузового экзоскелета;
- повышение безопасности пользователя.
Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и другие варианты осуществления, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании.