ТАЗОБЕДРЕННЫЙ СУСТАВ ЭКЗОСКЕЛЕТА
HIP JOINT OF EXOSKELETON

Изобретение относится к медицине и может найти применение в военной, медицинской и МЧС-технике в качестве изделия медицинского назначения, используемого для разных нужд.
Известно устройство для разгрузки тазобедренного сустава, крепящееся посредством шарнира к поясному ремню на теле человека и состоящее из двух соединенных посредством шарнира пластин, закрепленных на голени и бедре, позволяющее осуществлять индивидуальную подгонку к ноге человека (см., например, описание изобретения к патенту РФ №2200529, кл. A61H 1/02, опубл. 20.03.2003).
Недостатком данного устройства являются его ограниченные возможности, поскольку оно предусматривает наличие одной степени подвижности и не дополнительных приводов.
Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа тазобедренный сустав экзоскелета, содержащий парные втулки и кольца, установленные с возможностью вращения относительно друг друга, при этом две пары вращения образуют карданный шарнир с двумя степенями подвижности, одна ось которой расположена в сагиттальной, а вторая во фронтальной плоскости, опорное устройство, а также электромеханический привод, неподвижную втулку, снабженную элементами крепления к поясничной пластине с прикрепленными к ней несущей рамой и поясничным ремнем, образующие карданный шарнир, обеспечивающий две степени подвижности. При перемещении бедра вперед происходит вращение внутреннего кольца во внешнем, и нога движется вперед, а перемещение ноги вбок обеспечивается вращением обоих колец в ложе крепящемся к бедру, за счет крепления основания к поясному ремню на теле человека (см., например, описание изобретения к патенту США №8,313,448, кл. A61H 1/00, A61F 5/00, A61B 5/117, опубл. 10.02.2010).
Недостатком данного устройства является обеспечение только двух степеней подвижности, что сковывает движение человека и ограничивает его в преодолении неровностей поверхности земли. Кроме того, конструкция тазобедренного сустава экзоскелета из-за последовательно расположенных вдоль продольной оси механической передачи электродвигателя имеет слишком большие габариты в фронтальной плоскости, из-за которых могут задеваться окружающие предметы, что ограничивает области его применения и снижает надежность конструкции.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении эксплуатационных и эргономических характеристик, а также надежности за счет обеспечения возможности создания простого тазобедренного сустава экзоскелета, не стесняющего движения человека, усиливающего работу мышц с помощью электропривода и ослабляющего нагрузку на опорно-двигательный аппарат человека после разрядки аккумулятора.
Указанный технический результат достигается тем, что в тазобедренный сустав экзоскелета, содержащий поясничный ремень для крепления тазобедренного сустава к поясу человека, прикрепленный к поясничной пластине, с которой соединен кронштейн, имеющей форму лодочки, скрепленный болтами с вилкой, концы вилки жестко закреплены на торцевых пазах центрального стержня, центральный стержень установлен в отверстиях пары втулок, которые вставлены друг в друга, расположены перпендикулярно продольной оси центрального стержня и образуют степень подвижности тазобедренного сустава во фронтальной плоскости, концы внутренней втулки вставлены с возможностью вращения в пару втулок, расположенных соосно с втулками и имеющих противоположные концы, приваренные к внутренней поверхности кольца так, что продольная ось кольца перпендикулярна осям втулок и центральному стержню; на наружной поверхности кольца жестко закреплен статор электродвигателя, соединенный с электрическим аккумулятором, ротор электродвигателя удерживается роликами, образующими радиально-упорные подшипники, устройство снабжено волновой передачей с телами качения, состоящей из входного звена с двумя эксцентриками, сепаратора, в котором расположены тела качения - ролики, и который жестко соединен с кольцом, жесткое колесо с внутренним профилем является выходным звеном волновой передачи, к наружной поверхности жесткого колеса жестко закреплен стержень, снабженный элементами крепления к ноге человека, тела качения - ролики волновой передачи выполняют также функцию опорного подшипника выходного звена тазобедренного сустава экзоскелета.
Заявленная совокупность существенных признаков находится в прямой причинно-следственной связи к достигаемому результату.
Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию ″новизна″, так как оно не известно из уровня техники. Предложенный способ является промышленно применимым существующими техническими средствами и соответствует критерию ″изобретательский уровень″, так как он явным образом не следует из уровня техники.
Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения.
Других известных технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками заявителем не обнаружено.
На фиг. 1 представлен продольный разрез тазобедренного сустава, на фиг. 2 представлено поперечное сечение А-А тазобедренного сустава, на фиг. 3 представлена сборка элементов тазобедренного сустава.
Предлагаемый тазобедренный сустав экзоскелета построен по принципу карданного подвеса с тремя степенями подвижности.
Тазобедренный сустав экзоскелета содержит поясничный ремень 1 для крепления тазобедренного сустава к поясу человека, прикрепленный к поясничной пластине 2, с которой соединен кронштейн 3, имеющей форму лодочки, скрепленный болтами с вилкой 4. Концы вилки 4 жестко закреплены на торцевых пазах 5 центрального стержня 6. Центральный стержень 6 установлен в отверстиях пары втулок 7 и 8, которые вставлены друг в друга, расположены перпендикулярно продольной оси центрального стержня 6 и образуют степень подвижности тазобедренного сустава во фронтальной плоскости. Концы внутренней втулки 7 вставлены с возможностью вращения в пару втулок 9, расположенных соосно с втулками 7 и 8. Противоположные концы втулок 9 приварены к внутренней поверхности кольца 10 так, что продольная ось кольца 10 перпендикулярна к осям трубок 7 и 8 и центральному стержню 6.
Втулки 7 и 8 с втулками 9 образуют степень подвижности тазобедренного сустава в вертикальной плоскости.
На наружной поверхности кольца 10 жестко закреплен статор электродвигателя 11, соединенный для работы в автономных полевых условиях с электрическим аккумулятором (не показан). Ротор электродвигателя 12 удерживается роликами, образующими радиально-упорные подшипники 13 и 14. Устройство снабжено волновой передачей с телами качения, состоящими из входного звена 15 с двумя эксцентриками, сепаратора 16, в котором расположены тела качения - ролики 17, и который жестко соединенные с кольцом 10. Жесткое колесо 18 с внутренним профилем является выходным звеном волновой передачи. К наружной поверхности жесткого колеса 18 жестко закреплен стержень, снабженный элементами крепления к ноге человека. Тела качения - ролики 17 волновой передачи выполняют также функцию опорного подшипника выходного звена тазобедренного сустава экзоскелета.
Тазобедренный сустав работает следующим образом.
При подаче сигнала управления на электродвигатель сустава экзоскелета, ротор электродвигателя 12 начинает вращаться и через элементы волновой передачи - входное звено 15 за счет эксцентриков создает возвратно-поступательное движение тел качения - роликов 17, которые, действуя на профиль жесткого колеса, поворачивают выходное жесткое колесо 18 со стержнем 19 и закрепленной с ним ногой в заданном направлении в сагиттальной плоскости. Движение ноги, связанное с неровностями поверхности (лестница или обход камня и т.п.), не вызывает сопротивления сустава экзоскелета за счет наличия степеней подвижности во фронтальной плоскости (втулок 7 и 8 относительно центрального стержня 6) и в вертикальной плоскости (втулки 9 относительно втулок 7 и 8).
При отсутствии сигнала управления, например при разрядке аккумулятора, человек с экзоскелетом совершает свободное движение ноги в сагиттальной плоскости за счет обратимости и высокого КПД волновой передачи с телами качения (КПД составляет не менее 0,85 при работе в режиме мультипликатора). Движение от ноги со стержнем 19 и жестким колесом 18 передается на тела качения - ролики 17, которые, совершая возвратно-поступательное движение, заставляет поворачиваться эксцентрики входного звена 15 вместе с ротором электродвигателя 12.
Таким образом, предлагаемый тазобедренный сустав экзоскелета за счет введения дополнительной степени подвижности, реализованной парой втулок, а также использования в качестве механической передачи - волновой передачи с телами качения, выполненной по кинематической схеме с неподвижным сепаратором, электродвигателя с обращенным ротором (расположенным снаружи статора) и коаксиальной их установкой имеет три степени подвижности, что обеспечивает свободное копирование движений человеческих конечностей; усиление мышечной энергии движения в наиболее нагруженной сагиттальной плоскости бедра и лучшие эксплуатационные и эргономические характеристики.
Применение изобретения обеспечивает наилучшим образом создание экзоскелета с расширенными функционально-технологическими возможностями, которые позволили бы с нагрузкой даже танцевать, а не только ходить.