СИЛОВОЙ МОДУЛЬ ЭКЗОСКЕЛЕТА

Заявляемая полезная модель относится к устройствам, облегчающим перемещение грузов при помощи ручного труда и предназначенным для усиления физических возможностей человека, и может быть использована при проведении погрузочно-разгрузочных работ, подъеме, перемещении, транспортировании и удержании тяжелых грузов.
На производстве и в быту часто ставятся задачи по подъему/опусканию груза с пола или с опоры соответственно на пол или опору, удержанию массивных элементов конструкций при их монтаже или фиксации деталей при сборке узлов и агрегатов, удержанию инструмента при выполнении работ, а также по переносу груза на небольшие расстояния. Для облегчения выполнения указанного вида работ используется экзоскелет, представляющий собой внешнюю механическую несущую конструкцию, которая прикрепляется к телу человека с помощью манжет и позволяет снизить тяжесть труда путем оптимального перераспределения нагрузки на различные части опорно-двигательного аппарата. Принцип действия экзоскелета такого типа основан на передаче нагрузки с человека на механический силовой каркас и на компенсации изгибающих моментов в суставах. Конструктивно устройство повторяет скелет человека, при этом металлические звенья устройства соединяются посредством шарниров, каждый из которых имеет разное число степеней подвижности.
Из уровня техники известен экзоскелет описанного выше типа, состоящий из функционально соединенных между собой силового модуля, модуля крепления и модуля подъема груза (патент РФ 198903 от 26.02.2020). Силовой модуль включает в себя спинной каркас, соединяемый с помощью шарнира с бедренным звеном, которое, в свою очередь, соединено шарнирно с голенным звеном, шарнирно соединенным со звеном стопы. Спинной каркас присоединяется с помощью грудных фиксирующих креплений и креплений поясничного отдела к корпусу оператора, а бедренное звено, голенное звено и звено стопы фиксируется на соответствующей части тела оператора. Перемещение оператора по поверхности происходит за счет мышечной энергии человека без использования дополнительных источников энергии и движителей, а для подъема, опускания и удерживания груза используется модуль подъема груза, оснащенный приводом и адаптивной системой управления.
Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает снижение нагрузки на опорно-двигательный аппарат при выполнении работ в вынужденных статических позах, не имея в своей конструкции устройств, формирующих компенсирующий момент силы, позволяющий снять нагрузку с мышц и суставов человека. Также оно не обеспечивает устойчивого положения ноги устройства, устраняющего самопроизвольное сгибание ноги в области колена при приложении вертикально направленной нагрузки, а также отсутствует ограничение диапазона сгибания ноги в области колена, позволяющего обеспечить безопасное положение при приседании и гарантирующее безопасное вставание в положение стоя при удержании груза.
В основе заявляемой полезной модели лежит задача по снижению физических нагрузок на человека, снижению травмоопасности и утомляемости при такелажных, монтажных, ремонтных, сварочных и других работах, связанных с использованием тяжелого ручного инструмента, поднятием, удержанием и переносом грузов, а также по повышению скорости и качества выполнения работ.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является снижение нагрузки на поясничный отдел позвоночника, суставы, нижние конечности, что, в свою очередь, ведет к снижению сроков выполнения ремонтных и монтажных работ, повышение качества их выполнения, а также качества выполнения сварочных работ, оптимизация загруженности грузоподъемных машин при выполнении такелажных работ. Кроме этого, обеспечивается компенсация ограничений мобильности и проходимости грузоподъемных машин за счет снижения нагрузок на человека в вынужденных статических позах, компенсация недостаточной квалификации работников, компенсация нехватки работников.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в силовом модуле экзоскелета, включающем в себя спинной каркас, бедренное звено, шарнирный узел из трех шарниров, соединяющий спинной каркас и бедренное звено для обеспечения вращения бедренного звена относительно спинного каркаса в сагиттальной, трансверсальной и фронтальной плоскостях силового модуля экзоскелета соответственно, голенное звено, соединенное с помощью шарнира с бедренным звеном, и звено стопы, соединенное с помощью шарнира с голенным звеном, согласно полезной модели между спинным каркасом и шарнирным узлом установлен накопитель упругой энергии, один конец которого соединен со спинным каркасом, а другой - с шарниром шарнирного узла, обеспечивающим вращение бедренного звена в сагиттальной плоскости.
Накопитель упругой энергии соединяет спинной каркас с шарниром шарнирного узла таким образом, что усилие накопителя энергии прилагается только в сагиттальной плоскости вращения шарнира, т.е. сжатие рабочего тела накопителя энергии происходит только при вращении шарнира в сагиттальной плоскости. Таким образом, накопитель упругой энергии оказывает воздействие только в сагиттальной плоскости и обеспечивает компенсацию веса верхней части экзоскелета и частичную компенсацию веса груза при наклоне.
При наклоне, подъеме ноги или приседании шарнир шарнирного узла, обеспечивающий вращение бедренного звена в сагиттальной плоскости, вращается относительно спинного каркаса и сжимает накопитель упругой энергии, в результате чего в нем возникают силы, стремящиеся вернуть накопитель в исходное состояние, что обеспечивает появление компенсирующего момента силы, который в свою очередь стремится вернуть силовой модуль экзоскелета в исходное состояние (положение стоя).
Шарнир шарнирного узла, обеспечивающий вращение бедренного звена в сагиттальной плоскости, расположен сверху. Это обеспечивает сохранение положения компенсирующего момента силы в сагиттальной плоскости и сохраняет полный объем движения тазобедренного сустава. Последовательность расположения других шарниров шарнирного узла не влияет на сохранение полного объема движений человека в экзоскелете.
Дополнительно может быть предусмотрено, чтобы при вертикальном расположении бедренного звена и голенного звена соединяющий их шарнир расположен со смещением назад относительно шарниров. Такое выполнение обеспечивает, что в положении стоя при приложении вертикально направленной нагрузки нога экзоскелета не может самопроизвольно согнуться.
Шарнир, соединяющий бедренное звено и голенное звено, расположен со смещением назад на 5-20 мм. Смещение на расстояние менее 5 мм не обеспечивает в положении стоя достаточной стабильности положения ноги экзоскелета в области коленного сустава, а более 20 мм - не позволяет ноге экзоскелета самопроизвольно сгибаться в области колена в положении стоя, обеспечивая безопасную эксплуатацию экзоскелета и полностью перераспределяя вертикально направленную нагрузку с тела человека на опорную поверхность через несущий каркас экзоскелета.
Шарнир, соединяющий бедренное звено и голенное звено, может быть выполнен с возможностью ограничения хода, благодаря чему не допускается перенапряжение опорно-двигательного аппарата человека в положении сидя, а также обеспечивается безопасное нахождение в данном положении и гарантированное вставание при удержании груза. Диапазон вращения коленного шарнира составляет 120° (в положении стоя - 0°, в положении сидя - 120°).
Накопитель упругой энергии представляет собой газовую пружину, содержащую герметичный цилиндр, в котором свободно перемещается шток. Втулка, пыльник, подшипник скольжения и сальники обеспечивают герметичное перемещение штока. Центрирующая втулка-поршень и перепускной клапан предохраняют шток от перекоса и обеспечивают демпфирующие свойства пружины.
Для обеспечения адаптации силового модуля экзоскелета к антропологическим параметрам оператора бедренный сегмент и голенный сегмент могут быть выполнены телескопическими.
Полезная модель поясняется с помощью чертежей, на которых схематично показано:
фиг. 1 - общий вид экзоскелета;
фиг. 2 - силовой модуль экзоскелета;
фиг. 3 - шарнирный узел;
фиг. 4 - нога экзоскелета в положении стоя;
фиг. 5А-5В - коленный шарнир;
фиг. 6 - газовая пружина;
фиг. 7А-7С - силовой модуль экзоскелета при выполнении стандартных движений.
На фиг. 1 показан общий вид экзоскелета. Экзоскелет состоит из следующих модулей: модуль подъема груза, силового модуля и модуля крепления экзоскелета на операторе.
Модуль подъема груза включает в себя корпус 1, присоединяемый с помощью телескопической системы фиксации к спинному каркасу 3, позволяющей регулировать положение модуля подъема груза по высоте относительно спинного каркаса 3, внутри которого установлен привод для подъема, опускания и фиксирования переносимых грузов, систему фиксации грузов, включающую в себя тросы 4 расположенные внутри направляющих 17, установленных на корпусе 1. На нижних свободных концах тросов 4 установлены такелажные карабины 16 для закрепления груза или грузоподъемной оснастки, позволяющей удобно и безопасно закрепить груз, рукояти 19, через которые продеты тросы 4. Рукояти 19 являются органом управления модулем подъема груза, электрически связанным с системой управления привода для подъема, опускания и фиксирования переносимых грузов; также рукояти 19 позволяют защитить руки человека от трения о тросы 4 при выполнении манипуляций с грузом, закрепленным на системе фиксации грузов.
Модуль крепления включает в себя жилет 21, поясной ремень 22, бедренные манжеты 23, включающие в себя подушку с жестким основанием и пластиковую ленту с храповым замком, крепление на стопе 9, включающее в себя уплотненную подушку с пластиковой лентой и храповым замком.
Силовой модуль включает в себя спинной каркас 3, соединяемый с помощью трехосевого шарнирного узла 5 с бедренным звеном 6, которое соединено через шарнир 7 с голенным звеном 8, шарнирно соединенным с звеном 9 стопы. Также предусмотрен накопитель 10 упругой энергии, соединяющий спинной каркас 3 с шарнирным узлом 5.
На фиг. 2 силовой модуль экзоскелета представлен схематично на виде сбоку, где показаны: спинной каркас 3, бедренное звено 6, голенное звено 8 и звено 9 стопы, шарнирно соединенные между собой. Шарнирный узел 5 соединяет спинной каркас 3 и бедренное звено 6 и состоит из трех шарниров, которые обеспечивают вращение бедренного звена 6 относительно спинного каркаса 3 в сагиттальной, трансверсальной и фронтальной плоскостях силового модуля экзоскелета соответственно. Шарнир 7 соединяет голенное звено 8 с бедренным звеном 6, а шарнир 12 - голенное звено 8 со звеном 9 стопы.
Силовой модуль закрепляется на теле человека с помощью жилета 21, поясного ремня 22, бедренных манжет 23 и не обозначенных на чертеже креплений стопы.
Между спинным каркасом 3 и шарнирным узлом 5 установлен накопитель 10 упругой энергии, один конец которого соединен со спинным каркасом 3, а другой - с шарниром шарнирного узла 5, обеспечивающим вращение бедренного звена 6 в сагиттальной плоскости.
Более подробно шарнирный узел 5 показан на фиг. 3. Шарнир 13 обеспечивает вращение ноги экзоскелета в сагиттальной плоскости, шарнир 14 обеспечивает вращение ноги в трансверсальной плоскости, шарнир 15 обеспечивает вращение ноги во фронтальной плоскости. Шарнир 13 имеет выступающий вперед элемент, к которому закрепляется один конец накопителя 10 упругой энергии. Второй конец накопителя 10 упругой энергии закреплен на спинном каркасе 3. Таким образом, при наклоне, подъеме ноги или приседании, шарнир 13 вращается относительно спинного каркаса 3 и посредством выступающего элемента сжимает накопитель 10 упругой энергии, в результате чего в нем возникают силы, стремящиеся вернуть накопитель 10 в исходное состояние, что и обеспечивает появление компенсирующего момента силы, который в свою очередь стремится вернуть конструкцию экзоскелета в исходное состояние (положение стоя). Шарниры 13, 14 и 15 шарнирного узла 5 обеспечивают свободу движения ног человека приблизительно эквивалентно тазобедренному суставу человека.
На фиг. 4 схематично представлена часть силового модуля экзоскелета (нога), в состав которой входит шарнирный узел 5 с бедренным звеном 6, которое в свою очередь соединено через шарнир 7 с голенным звеном 8; шарнир 9 соединяет голенное звено 8 со звеном 9 стопы.
Геометрически нога экзоскелета выполнена таким образом, что в положении стоя она находится в особом положении, что при приложении вертикально направленной нагрузки не дает ей самопроизвольно согнуться.
57
79
Данный эффект достигается следующим образом. Если в положении стоя соединить условными линиями центры осей вращения шарниров 5, 7 и 9, образуется треугольник, поскольку шарнир 7 находится немного позади (на 5-20 мм) шарниров 5 и 9. Бедренное звено 6 и голенное звено 8 в положении стоя расположены вертикально, соединяя прямой линией оси вращения шарниров 5 и 9. При приложении вертикально направленной нагрузки она будет стремиться согнуть данную конструкцию в шарнире 7, однако его положение относительно шарниров 5 и 9 кинематически формирует рычаг бедренного звена 1 и рычаг голенного звена 1, которые являются сторонами треугольника, образованного центрами осей вращения шарниров 5, 7 и 9, что и описывает состояние особого положение данной части силового модуля, при котором при приложении нагрузки конструкция будет стремиться согнуться, но благодаря расположению бедренного звена 6 и голенного звена 8, конструкция будет опираться сама на себя, не сгибаясь под приложенной нагрузкой.
Шарнир 7 выполнен с возможностью ограничения хода. Угол ограничения хода составляет от 0° до 120° и достигается за счет конструкции его составных частей, показанной на фиг. 5А и 5В. Шарнир 7 включает в себя передний упор 6.1, жестко соединенный со штоком 6.2 шарнира, который в свою очередь, жестко соединен с бедренным звеном 6, вилку 8.1 шарнира, жестко соединенную с голенным звеном 8, и задний упор 8.2, жестко соединенный с голенным звеном 8.
В положении стоя передний упор 6.1 упирается в вилку 8.1 шарнира, ограничивая вращение бедренного звена 6 относительно голенного звена 8 по часовой стрелке или вращение голенного звена 8 относительно бедренного звена 6 против часовой стрелки.
В положении сидя шток 6.2 шарнира упирается в задний упор 8.2, ограничивая движение бедренного звена 6 относительно голенного звена 8 против часовой стрелки или вращение голенного звена 8 относительно бедренного звена 6 по часовой стрелке.
На фиг. 6 представлен накопитель упругой энергии 10, представляющий собой, в частности, типовую промышленную газовую пружину, содержащую герметичный цилиндр 80, в котором свободно перемещается шток 100. Втулка 20, пыльник 30, подшипник скольжения 40 и сальники 60, 70 обеспечивают герметичное перемещение штока. Центрирующая втулка-поршень 90 и перепускной клапан 110 предохраняют шток от перекоса и обеспечивают демпфирующие свойства пружины.
Силовой модуль работает следующим образом.
С помощью модуля подъема груза осуществляется фиксация положения закрепленного на экзоскелете груза на необходимой высоте относительно опорной поверхности, на которой находится человек в экзоскелете (в рамках роста человека). Управление модулем подъема груза осуществляется при помощи пульта управления, совмещенного с рукоятями 19. Длины тросов 4 достаточно для осуществления подъема груза из положения стоя, что позволяет сначала закрепить груз при помощи такелажных карабинов 16 или грузоподъемной оснастки, после чего занять положение стоя и начать подъем груза до необходимой высоты. В данном случае экзоскелет позволяет перераспределить нагрузку на свой каркас и опорную поверхность, а также избавляет человека от нагрузок, которые мог бы испытать его опорно-двигательный аппарат при подъеме груза из положения сидя, при выпрямлении из наклона в положение стоя и при наклоне из положения стоя.
Модуль подъема груза позволяет зафиксировать груз на экзоскелете в удобном и безопасном положении для осуществления перемещения с грузом. Таким образом, при перемещении человек может полностью контролировать положение груза, закрепленного на экзоскелете. Аналогичным образом груз может быть зафиксирован перед переходом из положения стоя в положение сидя или при наклоне, что позволяет безопасно и удобно выполнять работу в стесненных условиях труда или при необходимости занять статическую рабочую позу.
При наклоне из положения стоя (см. фиг. 7А) спинной каркас 3 вращается в сагиттальной плоскости вокруг ног экзоскелета, в результате чего происходит сжатие накопителя 10 упругой энергии, что приводит к возникновению компенсирующего момента силы, стремящегося привести силовой модуль экзоскелета в исходное положение (положение стоя), тем самым противодействуя силе тяжести, действующей на спинной каркас 3 экзоскелета и на поднимаемый груз.
При перемещении с грузом (см. фиг. 7В) оператор в экзоскелете передвигается с немного согнутыми ногами и прямой спиной (без наклона), это позволяет перенести центр тяжести немного назад, при этом накопитель 10 упругой энергии всегда в определенной степени сжат, формируя компенсирующий момент силы, разгружая спину оператора (при нахождении экзоскелета в положении стоя в накопителе 10 упругой энергии не возникают силы, формирующие компенсирующий момент). Учитывая, что при ходьбе звенья стопы жестко стоят на опорной поверхности, компенсирующий момент действует на бедренное звено 6 также, как на спинной каркас 3, следовательно, стремится повернуть бедренное звено 6 в исходное положение, так как бедренное звено и голенное звено жестко связаны, возникает эффект выпрямления ног (так как человек стремится держать спину ровно, компенсирующий момент стремится вернуть бедренное звено в исходное состояние, тем самым выпрямляя ноги экзоскелета). Таким образом, экзоскелет стремится «встать», поддерживая оператора и позволяя ему комфортно перемещаться с немного согнутыми ногами.
Приседание из положения стоя показано на фиг. 1С. Так как по технике подъема груза требуется держать спину прямо, то при приседании работает тот же эффект, как и при ходьбе с немного согнутыми ногами.