Экзоскелет для облегчения перемещения человеком груза

Полезная модель относится к средствам передвижения и устройствам, облегчающим перемещение грузов и предназначенных для увеличения физических возможностей человека и снижения утомляемости при выполнении различных видов работ, в частности для транспортировки тяжелых грузов.
Экзоскелет - техническое средство, одеваемое на человека и предназначенное для увеличения физической силы человека. В настоящее время существуют две группы экзоскелетов: активные и пассивные.
Активные экзоскелеты характеризуются наличием системы силовых приводов (пневмо, гидро, электроприводы), электронной системы управления, системы энергопитания. Самым главным недостатком таких экзоскелетов является сложность и дороговизна производства, а также конструктивные особенности приводов, системы энергопитания которых значительно ограничивают степени подвижности человека в таком экзоскелете.
Пассивные экзоскелеты представлены рамными конструкциями и используют мускульную силу человека для осуществления полезной работы, равномерно распределяя нагрузку по каркасу экзоскелета и всему телу человека, снижая тем самым общую утомляемость при работе и, как следствие, повышение производительности труда. При этом они более просты и дешевы как в производстве, так и в техническом обслуживании.
Известен грузовой экзоскелет с настройкой под антропометрические параметры пользователя по патенту на изобретение РФ №2665116 (опубл. 28.08.2018 Бюл. №25), содержащий одну пару ножных опор с элементами крепления к ногам человека, одну пару опор стоп, тазовый узел со смонтированными на нем боковыми и задними тазовыми шарнирами, одну пару соединительных элементов и по одной паре бедренных и голенных звеньев.
Недостатками данного технического решения являются:
- сложность конструкции с шарнирами, подшипниками, рычагами и подвижными ползунами, которые, в свою очередь, снижают надежность экзоскелета;
- конструктивное исполнение деталей, узлов и механизмов регулировки имеют значительные геометрические размеры, что влияет на общие размеры и вес всего экзоскелета;
- ступенчатая регулировка под антропометрические параметры человека;
- ограниченный функционал, т.к. экзоскелет способен осуществлять только работу в статике (в положении стоя, сидя), нет возможности установки дополнительного оборудования;
- ограниченность естественных движений туловищем за счет применения массивных деталей для регулировки и закрепления на теле человека.
Также известен грузовой экзоскелет по патенту на изобретение РФ №2563209 (опубл. 20.09.2015 Бюл. №26), содержащий каркас с элементами крепления к туловищу, две пары тазобедренных и голеностопных рычагов. Каркас состоит из плечевого блока в виде комбинации Х-образно соединенных пластин, Г-образно изогнутых на концах, и соединенного с ним спинным карданным узлом через две опорные площадки поясничного блока, состоящего из пояса-коромысла, изогнутого по форме поясничной области тела человека, где в верхней серединной точке коромысла крепится опорная площадка спинного кардана, а концы коромысла с элементами крепления колец карданов опущены и находятся на уровне тазобедренных суставов. Соединение пространственных оболочек тазобедренных рычагов с каркасом осуществляется посредством кольцевых карданов с двумя степенями свободы поворота тазобедренных рычагов, основания которых через угловые консоли связаны с площадками скольжения, установленными на пространственных оболочках тазобедренных рычагов, с возможностью перемещения консоли по дуговым направляющим площадок при изменении угла между каркасом и пространственными оболочками тазобедренных рычагов, при этом соединение опорных площадок с вилкой голеностопа выполнено разъемным. Недостатками данного технического решения являются:
- малое количество степеней свободы узлов и корпуса приводит к ограниченности движений и снижению удобства и подвижности человека при эксплуатации;
- шарнир вилки голеностопа, расположенный с фронтальной стороны голени под действием знакопеременной ударной нагрузки, которая возникает при ходьбе и беге, приведет к быстрому разрушению шарнира, после чего вся конструкция и масса переносимого груза упадет на стопу человека и нанесет тяжелые травмы, что приведет к высокому риску здоровью при эксплуатации;
- нет возможности установки дополнительного оборудования;
- сложность узлов, связанная с взаимным перемещением деталей друг относительно друга, приводит к снижению надежности и повышению сложности при изготовлении.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является экзоскелет пассивный по патенту на полезную модель РФ №189468 (опубл. 23.05.2019 Бюл. №15), принимаемый за прототип. Экзоскелет пассивный состоит из: стоп, выполненных в виде стремя-подобных узлов с возможностью передачи нагрузки от груза опорной поверхности, голеней, выполненных в виде регулируемых по длине рычагов, связывающих узлы стоп и коленей, при этом колени выполнены в виде скоб с горизонтальной, поперечной осью вращения, связи узлов голеней и бедер и содержат настройку под Х-образность ног, стяжек на голенях, охватывающих голени человека, при этом бедра выполнены в виде регулируемых по длине рычагов, связывающих узлы коленей и пояса, при этом пояс выполнен в виде коромысло-образной детали, подобной тазовым костям человека, с двух сторон которой крепятся бедренные рычаги, а посередине - рессора спины в виде плоской балки прямоугольного сечения, передающей нагрузку от плеч и грузового крюка к поясу, при этом плечи выполнены в виде пространственных деталей, по форме напоминающих отложенный ворот шубы и воспринимающих нагрузку от положенного на плечи груза и передающих нагрузку на спинную рессору, при этом крюк грузовой выполнен с функцией сброса груза и возможностью крепления грузов с помощью подвеса из системы ремней и передачи нагрузки от веса груза на спинную рессору.
Недостатками данного технического решения являются:
- стопа со стремя-подобным узлом, расположенная с фронтальной стороны голени, имеет опасное для здоровья человека расположение. Так, при ударной знакопеременной нагрузке, возникающей при ходьбе, беге, шарнир данного узла может быть разрушен и весь каркас экзоскелета с переносимой массой устремится вниз и нанесет тяжелые повреждения стопе человека;
- фронтальное расположение стопы со стремя-подобным узлом ограничивает естественные движения перемещения голени относительно стопы, для этого стремя-подобный узел выносят ближе к коленному суставу, из-за чего смещаются оси вращения узла экзоскелета относительно естественных осей вращения человека, что, в свою очередь, снижает удобство при эксплуатации;
- крепление стопы к обуви осуществляется за счет ремней, что не дает возможности жесткого сопряжения экзоскелета и ботинка, из-за чего при ходьбе и беге ботинок перемещается вдоль стопы экзоскелета и тем самым снижается удобство при эксплуатации;
- отсутствие возможности разведения и сведения стоп ног, снижающее удобство при эксплуатации;
- спина выполнена в виде жесткой прямоугольной балки, ограничивающей естественные движения человека при наклонах и скручиваниях торса, что снижает удобство при эксплуатации;
- регулировка спины, бедер и голени, выполненная в виде ряда отверстий, ограничивает точность регулировки и настройки экзоскелета под антропометрические параметры пользователя;
- нет возможности для установки дополнительного оборудования.
Техническими результатами, на достижение которых направлено заявленное решение, являются:
- улучшение эргономических характеристик;
- расширение функциональных возможностей;
- повышение эксплуатационной надежности экзоскелета;
- повышение безопасности пользователя.
Технические результаты достигаются тем, что экзоскелет для облегчения перемещения человеком груза, состоящий из стоп с возможностью передачи нагрузки от груза опорной поверхности, голеней, связывающих узлы стоп и коленей, бедер, при этом связи узлов голеней и бедер содержат настройку под Х-образность ног, пояса, пластины поясничного узла, плеч. При этом стопы выполнены в виде «U» образной формы с горизонтальной поперечной осью вращения, с возможностью жесткого закрепления на обуви и имеют скругленные носки с упругими элементами, соединенными с голеностопными узлами, расположенными с тыльной стороны ног. Голеностопные узлы выполнены в виде пары «винт-гайка» и регулируют высоту каркаса голени, обеспечивая при этом сведение и разведение стопы. Каркасы голеней и бедер выполнены в виде спиралей, обтекающих ноги человека, при этом на каждой паре каркасов бедро-голень предусмотрены по два крепежных щитка, один из которых через шаровую опору соединен с каркасом экзоскелета с возможностью вращения. При этом щитки выполнены в виде пространственных оболочек прямоугольной формы с закругленными, облегающими ногу краями и имеют прорези для протягивания ремней, выполненных из неэластичного материала в форме «гармошки» с возможностью линейного удлинения и имеющих амортизирующие прокладки. Коленные суставы состоят из пружин, коленных ограничителей и защитных полусфер, являющихся неотъемлемой частью каркаса бедер. Тазовые узлы выполнены с возможностью регулировки высоты каркаса бедер и выполнены в виде пар «винт-гайка». Пояс состоит из двух дуг и копчика посередине и выполнен в виде буквы «С», по контуру которого с внутренней стороны пропущен ремень для закрепления его на теле человека, при этом на дугах пояса имеются фланцы для установки дополнительного оборудования. На копчике установлен поясничный узел, имеющий шарнир, обеспечивающий наклоны туловища «влево-вправо» и вращение вдоль оси позвоночника, а также пластину поясничного узла с закрепленной на ней велкротканью для присоединения и регулировки каркаса спины, который выполнен в виде «Т» образной рамы, на концах которой закреплены плечевые дуги, имеющие возможность вращения, и ограничители плечевых дуг для предотвращения складывания их под действием внешней нагрузки, а так же лямки для крепления на плечи человека.
При этом дополнительное оборудование выполнено в виде гидравлического стопора, состоящего из гидроцилиндра с краном и расширительным бачком, заполненным гидрожидкостью, функция которого заключается в блокировке перемещения бедра и голени.
Признаки и сущность заявленной полезной модели поясняются чертежами, где на фиг. 1 - общий вид экзоскелета для перемещения человеком груза, на фиг. 2 - общий вид стопы, на фиг. 3 - общий вид голени, на фиг. 4 - общий вид бедра, на фиг. 5 - общий вид пояса, на фиг. 6 - общий вид спины, на фиг. 7 - общий вид экзоскелета с установленным дополнительным оборудованием, на фиг. 8 - вид экзоскелета спереди и сбоку, на фиг. 9 - представлены варианты соединения крепежных щитков между собой, на фиг. 10 - представлена конструкция гидростопора.
Экзоскелет для облегчения перемещения человеком груза содержит стопу со скругленным носком 1, соединенную с голеностопным узлом 2 и упругим элементом 3. Голеностопный узел 2 соединен с каркасом голени 4, а тот, в свою очередь, соединен с каркасом бедра 5 через шарнир коленного сустава 6, на котором размещен коленный ограничитель 7, пружина 8 и защитная полусфера 9. На каркасе бедра и каркасе голени предусмотрены крепления, выполненные в виде шаровой опоры 10 для закрепления крепежных щитков 11, которые соединены между собой ремнем 12. На каркасе бедра и голени имеются крепления 13 для установки гидростопора. Закрепление каркаса бедра 5 к поясу 14 осуществляется через тазовый узел 15. Пояс, состоящий из трех частей (две дуги пояса 16 и копчик 17), содержит фланцы 18 для установки дополнительного оборудования. На копчик 17 через фланец 19 устанавливается поясничный узел, содержащий шарнир 20 и пластину поясничного узла с велкротканью21, к которой пристегивается каркас спины 22, содержащий плечевые дуги 23, движение которых ограничивается ограничителем плечевых дуг 24, при этом на плечевых дугах размещены лямки 25 для крепления на плечи человека.
Экзоскелет для облегчения перемещения человеком груза работает следующим образом. Сначала человек надевает на себя пояс 14 с закрепленным поясничным узлом и каркасом спины 22 с затяжкой лямок 25, затем надеваются ботинки, жестко скрепленные со стопой 1, каркасом голени 4 и каркасом бедра 5. Далее закрепление к телу осуществляется посредством размещения на теле крепежных щитков 11 и их затяжки ремнем 12 с последующей фиксацией каркаса бедер 5 с поясом 14.
Вес переносимого груза возлагается на плечевые дуги 23 и перераспределяется по всей конструкции экзоскелета, минуя опорно-двигательную систему человека. Наличие скругленного носка на стопе 1 и упругого элемента 3 обеспечивает накопление потенциальной энергии при переносе центра массы тела, и при последующем отрыве пятки стопы от земли, который осуществляется за счет переката стопы посредством скругленного носка, высвобождает накопленную энергию в виде импульса в пятку стопы, тем самым снижая нагрузку на икроножные мышцы при ходьбе и беге.
Конструкция сочленений и узлов обеспечивает максимальную подвижность и возможность тонкой регулировки под антропометрические параметры каждого человека. Сочленения и узлы выполнены таким образом, что их оси вращения совпадают с естественными осями вращения суставов человека, что, в свою очередь, значительно повышает удобство при эксплуатации.
Пружина 8 осуществляет полезную работу при сгибе голени относительно бедра, производит доводку каркаса бедра 5 и голени 4 и смыкает их в вертикальном положении, дальнейшее перемещение ограничивается коленным ограничителем 7, при этом вес переносимого груза полностью распределяется по каркасу экзоскелета и не влияет на человека.
Плечевые дуги 23 имеют возможность вращения для повышения удобства при эксплуатации, чтобы при подъеме рук вверх конструкция не препятствовала естественному движению плеч человека. Для предотвращения складывания механизма под действием внешней нагрузки, движение дуг ограничивается ограничителем плечевых дуг 24.
Ремень 12, выполненный из неэластичного материала в форме «гармошки», необходим для компенсации изменения мышечного объема, возникаемого при ходьбе, беге, а также для компенсации смещения каркаса экзоскелета относительно тела человека. Варианты протяжки ремня 12 через крепежные щитки 11 представлены на фиг.9: А - «параллельная» протяжка, Б - протяжка «крест-накрест».
Настройка под Х-образность ног обеспечивается вращением крепежных щитков относительно конструкции экзоскелета, через шаровые опоры.
При необходимости на экзоскелет может быть установлено дополнительное оборудование, например: гидростопор 26 для снижения нагрузки на ноги человека в статичном положении, третья рука для переноса полезной фронтальной нагрузки или защитные щитки для повышения защищенности человека от механических повреждений.
Гидростопор 26 (фиг. 10) состоит из гидроцилиндра 27 с краном 28 и расширительным бачком 29, заполненным гидрожидкостью, и работает следующим образом. Человек открывает кран и после перетекания гидравлической жидкости из расширительного бачка в поршневую полость гидроцилиндра, закрывает кран, осуществляя, таким образом, блокировку перемещения бедра и голени. В это же время вес человека воспринимают крепежные щитки 11, таким образом, человек «садится» на крепежные щитки, уменьшая нагрузку на мышцы ног. Это необходимо для выполнения таких работ, где человек долгое время вынужденно находится в положении стоя, сидя. Например: работа за станком. Для закрепления гидростопора на экзоскелет используются крепежные кольца 30.
Предлагаемый экзоскелет может найти применение в военной деятельности, металлургии, машиностроении, строительстве, МЧС, медицине, сфере логистики и в других отраслях, где требуется работа с переносом грузов или статичная работа в положении стоя, сидя.