Экзоскелет для разгрузки нижних конечностей

Полезная модель относится к экзоскелетам и другим носимым конструкциям, выполненным с возможностью оказания помощи людям, которые длительное время работают в положении стоя, и может найти медицинское применение для реабилитации людей с нарушенным опорно-двигательным аппаратом. Более конкретно, относится к пассивным экзоскелетам и/или экзоскелетам без механического привода и другим пассивным конструкциям и/или носимым конструкциям, выполненным с возможностью разгрузки веса человека с мышц ног при работе стоя.
Известна полезная модель «Экзоскелет пассивный» (патент RU 189 468 U1), относящаяся к средствам передвижения и устройствам, облегчающим перемещение грузов и предназначенным для усиления физических возможностей человека, в частности для транспортировки тяжелых грузов. Заявленное устройство предназначено для увеличения физических возможностей человека при переноске груза путем перенаправления значительной части усилий от веса нагрузки через рычаги и сочленения устройства на опорную поверхность, минуя опорно-двигательную систему человека. Устройство работает за счет мышечной энергии человека без использования каких-либо дополнительных источников энергии и движителей.
Конструкция позволяет продолжительное время переносить тяжести на большие расстояния, с приложением минимума усилий и без вреда для здоровья. При этом конструкция предполагает возможность легкого отсоединения груза.
Недостатком данной полезной модели является то, что устройство предназначено для пропорционального увеличения мышечной силы и уменьшения ощущения веса груза человеком, а не разгрузку веса тела человека с мышц его ног при длительной работе стоя.
Наиболее близким по технической сути и принятым в качестве прототипа заявляемого технического решения является «Мехатронный модуль коленного сустава для экзоскелета нижних конечностей человека» (патент RU 134791 U1). Сущность полезной модели: Мехатронный модуль включает в себя основание, которое при помощи гибких эластичных ремней крепится к бедру человека. К нижней части основания присоединена с образованием вращательной кинематической пары поворотная пластина, которая с помощью гибких эластичных ремней также крепится к голени ноги человека. К внешней стороне основания присоединен при помощи сферического шарнира привод поступательного движения, выходной вал которого соединен с поворотной пластиной при помощи сферического шарнира. В нижней части бедра человека, спереди, в районе медиальной широкой мышцы, крепится датчик биологического сигнала, соединенный с системой компьютерного управления по каналам радиосвязи. Положительный эффект: снижение энергопотребления и повышение жесткости костюма для увеличения человеческой силы в районе коленного сустава человека.
Недостатком данного устройства является сложность конструкции механического привода и его программной реализации.
Технический результат предлагаемого решения - повышение эффективности разгрузки веса человека, направлен на создание экзоскелета, обладающего возможностью разгрузки веса человека с мышц его ног, уменьшая ощущение веса тела при работе за оборудованием.
Технический результат достигается тем, что экзоскелет для разгрузки нижних конечностей, состоящий из каркаса, выполненного в виде цельной конструкции с элементами крепления к нижним конечностям, тазобедренных и голеностопных рычагов, шарнирно соединенных между собой, выполнен из алюминиевого сплава в виде соединения звеньев из трубного проката с помощью крепежных элементов, крепление к туловищу производится при помощи страховочного пояса, соединенного с поясной конструкцией, находящейся вблизи поясничного отдела человека, при помощи кронштейна, крепление к нижним конечностям производится при помощи гибких ремней, соединенных с круглыми звеньями при помощи кронштейнов, поясная система, тазобедренные и голенные рычаги имеют возможность регулировки при помощи соединения труб по технологическим отверстиям, при этом рычаги расположены на боковых частях бедер и голеней, бедренные, голенные и голеностопные рычаги соединены между собой посредством шарниров, состоящих из наружной и внутренней части, которые перемещаются друг относительно друга при помощи подшипников качения, бедренные и голенные рычаги соединены газовой пружиной, состоящей из штока с поршнем и цилиндра с газом, сжимаемого поршнем, на штоке крепится упор с возможностью регулировки высоты посадки.
Экзоскелет состоит из рычагов и их сочленений, повторяющих опорно-двигательный аппарат человека, как показано на фиг.1 и 2, который включает в себя: систему крепления туловища 1, систему регулировки ширины бедра 2, механизм регулировки вылета бедра 3, суставы 4, систему крепления ног 5, газовую пружину 6, систему регулировки длины конечностей 7.
Размер экзоскелета может изменяться в соответствии с размерами индивидуума и в соединении частей могут использоваться стандартные крепежные элементы: болты, винты, шайбы, гайки, штифты.
Экзоскелет работает следующим образом.
Система крепления туловища 1 выполняет функцию фиксации и удерживания пользователя в экзоскелете в положении сидя с помощью страховочной поясной системы.
Система регулировки ширины бедра 2 позволяет подстроить межбедренное расстояние под индивидуального пользователя, посредством соединения труб по системе труба в трубу с закреплением по технологическим отверстиям.
Механизм регулировки вылета бедра 3 позволяет подстроить расстояние вылета бедра под индивидуального пользователя посредством соединения части бедренного сустава с боковой трубой поясничного отдела.
Суставы 4 имитируют движение суставов нижних конечностей человека в бедренном, коленном и голеностопном соединении звеньев. Суставы 4 состоят из наружной и внутренней части, которые перемещаются друг относительно друга при помощи подшипников качения.
Система крепления ног 5 отвечает за фиксацию экзоскелета к нижним конечностям при помощи регулируемых ремней. Они присутствуют на бедренном звене, на звене голени и на нижней опоре для фиксации ступней.
Система регулировки длины конечностей 7, которая присутствует между суставами 4 бедра и колена, и между суставом колена и голеностопного сустава, позволяет подстроить расстояние между суставами 4 под индивидуального пользователя.
Газовая пружина 6, показанная на фиг.1, 2 и разобранная на фиг.3 состоит из штока с поршнем 8, на который крепится упор 10, который ограничивает ход штока с поршнем 8 в цилиндре 9. Пружина крепится с помощью кронштейнов 11 на бедренном и голенном звене.
Чтобы отдохнуть при длительной работе стоя, пользователь сгибает ноги и приседает до уровня, регулируемого упором 10 на штоке 8 газовой пружины 6, передавая вес тела на нижние опоры экзоскелета через бедренные и голенные звенья, тем самым разгружая мышцы нижних конечностей.
Заявленная конструкция дает возможность человеку сидеть стоя путем переноса веса тела через рычаги и сочленения устройства на опорную поверхность.
Устройство является пассивным и работает без дополнительных приводов, двигателей и других источников энергии, позволяет длительное время работать за оборудованием в положении стоя без вреда для здоровья.