Пассивный реабилитационный экзоскелет
PASSIVE REHABILITATION EXOSKELETON

Изобретение относится к области удовлетворения жизненных потребностей человека и может быть использовано в качестве реабилитационной техники для создания вариативных (от облегченных до нагрузочных) условий при реабилитации после травм мышц, костей, связок, сухожилий верхних конечностей, туловища и нижних конечностей.
Известен пассивный грузовой экзоскелетон, 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. Каркас выполнен в виде двухчастного корсета с укрепленными на нем продольными направляющими, переходящими с передней на заднюю часть корсета RU 2362598 С2, опубликовано 27.07.2009.
Недостатками устройства являются сложность и дороговизна наряду с отсутствием дополнительных степеней свободы, что приводит к снижению комфорта и не обеспечивает безопасность перемещения.
Известен грузовой экзоскелет, содержащий каркас с элементами крепления к туловищу, две пары тазобедренных и голеностопных рычагов, выполненных в виде пространственных оболочек, соединенных между собой посредством коленных шарниров и шарнирно связанных свободными концами с каркасом и через вилку голеностопа с опорами стоп, вставленных в интегрированную обувь, при этом 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, при этом 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 RU 2563209 С2, опубликовано 20.09.2015.
Недостатком устройства является отсутствие поддержки плечевого пояса, что увеличивает нагрузку на верхние конечности пользователя.
Известен универсальный общевойсковой экзоскелет, содержащий каркасную систему, приводы движения, электронную систему управления и аккумуляторный источник питания. Каркасная система состоит из углепластиковой панели, повторяющей форму тыловой части торса человека, и шарнирно соединенных рычагов из углепластиковых труб. При этом приводы движения рычагов каркаса выполнены из твердотельного аэрогеля из углеродных нанотрубок с примесью каучука в виде цилиндров диаметром от 40 до 120 мм с конусным заострением с двух сторон. Приводы прикреплены к рычагам путем защемления конусных концов синтетическими тканевыми лентами, пропитанными эпоксидной смолой и стянутыми стальными заклепками RU 2552703 С2, опубликовано 10.06.2015.
Недостатками известного устройства являются сложность и дороговизна, массивность конструкции, отсутствие дополнительных степеней свободы на предплечьях и кистях верхних конечностей, что приводит к снижению комфорта перемещения пользователя.
Известен экзоскелетон US 2014100493, включающий мягкие ремни типа "рюкзака", который преимущественно взаимодействует с талией, спиной и плечами пользователя. Шасси обеспечивает монтаж двух принудительных приводов ног. Каждая нога экзоскелета выполняет функции, аналогичные движению человеческой ноги, в том числе тазобедренного сустава, бедра, коленного сустава, икры, и крепится манжетами к ноге пользователя в области бедра, голени, а под подошвой ноги пользователя расположена пластина. Силовые приводы представлены в тазобедренных и коленных суставах экзоскелета.
Недостатками данной конструкции являются: сложность конструкции и дороговизна за счет использования силовых приводов, габаритность конструкции, большая масса, недостаточная подвижность корпуса, зависимость от источников питания, высокие требования к техническому обслуживанию.
Известен экзоскелет верхних конечностей содержащий как минимум один внешний каркас для конечности, состоящий из элемента плеча, модулей плеча и предплечья, локтевого шарнира и кистедержателя. Элемент плеча, модули плеча и предплечья выполнены продолговатыми. Элемент плеча снабжен опорой для крепления внешнего каркаса. Модуль предплечья соединен с модулем плеча посредством локтевого шарнира с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости. Модуль предплечья соединен с кистедержателем. Экзоскелет дополнительно снабжен опорно-адаптационным элементом для крепления к жилету или инвалидному креслу, к которому крепится как минимум одна опора для крепления внешнего каркаса, упругими элементами и зацепами для крепления концов упругих элементов. Модуль плеча состоит из проксимального и дистального узлов, соединенных верхней и нижней съемными планками с возможностью подбора для анатомической адаптации. Модуль предплечья состоит из проксимального и дистального узлов, соединенных верхней и нижней съемными планками с возможностью подбора для анатомической адаптации. Локтевой шарнир выполнен в виде двух шарнирно соединенных между собой короткими полками Г-образных элементов - проксимального и дистального. Высота Г-образных элементов зависит от длины окружности предплечья в области локтевого сгиба человека. Длинная полка Г-образного проксимального элемента локтевого шарнира поперечно и жестко соединена с дистальным узлом модуля плеча. Проксимальный узел модуля предплечья соединен с длинной полкой Г-образного дистального элемента локтевого шарнира с возможностью вращения вокруг оси, расположенной вдоль модуля предплечья. Зацепы для крепления концов упругих элементов закреплены на наружных поверхностях на опоре для крепления внешнего каркаса, элементе плеча, проксимальном и дистальном узлах модуля плеча, проксимальном и дистальном узлах модуля предплечья, проксимальном и дистальном элементах локтевого шарнира RU 2629738 С2, опубликовано 31.08.2017.
Недостатками известного решения являются массивность, малое количество степеней свободы кисти, отсутствие элементов кистевых эспандеров, массивность, ограниченность только плечевым поясом, что ограничивает возможность реабилитации при травмах туловища или нижних конечностей.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является сокращение и облегчение реабилитационного периода восстановления после переломов костей, разрывов мышц, связок и сухожилий за счет эргономичной фиксации конечностей и туловища к элементам экзоскелета с возможностью полного управления телом в движении, увеличения степеней свободы верхних конечностей и поясничной области, снижения веса и размеров конструкции, повышения эксплуатационной надежности.
Заявленная конструкция позволяет снять избыточную нагрузку с тела пользователя на период реабилитации без вреда для здоровья. Компенсирует нагрузку на верхние конечности и усиливает силу хвата пользователя. В конструкции предусмотрена возможность легкого отсоединения и снятия отдельных частей экзоскелета. При реабилитации после травм кисти и/или предплечья используются поддерживающие механизмы, которые не сковывают движения пользователя, позволяют усилить производимое действие и защищают от вывихов и иных повреждений, удерживая восстанавливаемую конечность в анатомически правильном положении. В данном случае можно использовать не весь экзоскелет, а только его часть, например, руку.
Заявленный технический результат достигается тем, что в пассивном экзоскелете, содержащем каркас с элементами крепления к туловищу, две пары тазобедренных и голеностопных рычагов, выполненных из дюралюминиевого сплава в форме пространственных оболочек, соединенных между собой посредством коленных подшипников вращения, переходящих свободными концами через подшипники вращения в поясничный блок, представляющий собой пояс-коромысло из дюралюминиевой пластины, соединенный подшипником вращения с поясничным узлом, повторяющим движения поясничных позвонков, переходящим через подшипник вращения в плечевой блок с системой эластичных лямок для крепления экзоскелета к грудному отделу позвоночника, плечевой блок в свою очередь соединен пространственными шарнирами с парой плечевых дуг, переходящих в плечевые рычаги, выполненные в виде пространственной оболочки из сплава дюралюминия, соединенные с элементами запястья через две пары рычагов предплечья, закрепленных пространственными шарнирами, переход с элемента запястья, представляющего С-образную дугу, на пястный узел осуществляется коротким запястным рычагом с парой подшипников вращения, пястный узел представляет собой пространственную оболочку пястья с креплением сервопривода поступательного механизма, переходящего в ось вращения проксимальных фаланг указательного, среднего, безымянного и мизинца пальцев, выполненных в виде пространственных оболочек проксимальных фаланг соответствующих пальцев в С-образной форме для эргономичной фиксации, которые в свою очередь соединяются парой подшипников вращения с элементами средней фаланги, выполненной также в виде пространственных оболочек средних фаланг соответствующих пальцев с С-образной формой.
Заявляемый поясничный узел позволяет добавить две степени свободы в движение спины: при наклоне происходит сгибание и вытягивание поясничного узла относительно пояса-коромысла и плечевого блока, при возвращении спины в исходное положение жесткий каркас выпрямляется и сокращается, не мешая пользователю. Поворот тела пользователя вправо-влево достигается за счет подшипников вращения между поясничным узлом и поясом-коромыслом. Использование пространственных шарниров на плечевых дугах позволяет добиться подвижности плечевого сустава во всех анатомически возможных степенях свободы относительно пространственной оболочки плеча и плечевого блока.
Использование пары рычагов с пространственными шарнирами расположенными диаметрально противоположно относительно проксимального и дистального узлов предплечья на каждой руке дает две степени свободы: пронация и супинация кисти, сгибание и разгибание предплечья.
Короткий запястный рычаг позволяет сохранить поддержку запястья при сгибании и разгибании кисти в одной плоскости. Двусоставные элементы проксимальных и средних фаланг, сгибаемые и разгибаемые сервоприводом, позволяют увеличить силу хвата пользователя пропорционально нагрузке на сервоприводе. При использовании электромеханического сервопривода его движение может вызываться, например, микроконтроллером посредством заложенного алгоритма действий или состояния электромиографических сигналов мышц пользователя. Также возможна замена сервопривода на механические элементы поступательного движения, такие как пружины и/или гидравлические компенсаторы.
Изобретение поясняется чертежами Фиг. 1-7.
Фиг. 1. Экзоскелет, где 9 - эластичные ремни; 10 - пространственные шарниры; 22 - подшипники вращения коленного сустава; 6 - модуль запястья; 26 - корпус сервопривода; 28 - проксимальные фаланги; 11 - подшипник вращения верхней планки поясничного блока; 18 - подшипник вращения нижней планки поясничного блока; 15 - шпилька поясничного узла; 21 - подшипники вращения тазобедренного сустава; 7 - модуль кисти.
Фиг. 2. Экзоскелет, где 2 - голеностопный рычаг; 1 - тазобедренный рычаг; 20 - пояс-коромысло; 12 - поясничный узел; 8 - плечевой блок с плечевыми дугами; 4 - плечевой модуль с элементами крепления; 5 - модуль предплечья; 7 - кисть экзоскелета; 23 - стержень плечевого модуля; 6 - модуль запястья.
Фиг. 3. Рука экзоскелета, где 9 - эластичные ремни; 10 - пространственные шарниры; 6 - модуль запястья; 26 - корпус сервопривода; 7 - модуль кисти; 4 -модуль плеча; 32 - площадка для крепления вспомогательного оборудования; 34 - восьмиобразные фиксаторы для эластичных ремней; 24 - модуль предплечья; 27 - рычаг сервопривода; 28 - ось вращения проксимальных фаланг; 30 -средние фаланги; 29 - проксимальные фаланги; 25 - короткий запястный рычаг с парой подшипников вращения.
Фиг. 4. Кисть экзоскелета, где 10 - пространственные шарниры; 6 - модуль запястья; 26 - корпус сервопривода; 7 - модуль кисти; 31 - крепления для фиксирующих ремней для запястья и пястья; 24 - модуль предплечья; 30 - средние фаланги; 29 - проксимальные фаланги; 28 - ось вращения проксимальных фаланг.
Фиг. 5. Поясничный блок экзоскелета, где 9 - эластичные ремни; 21 - подшипники вращения тазобедренного сустава; 15 - шпилька поясничного узла; 20 - пояс-коромысло; 33 - площадка для крепления вспомогательного оборудования; 14 - нижняя планка поясничного узла; 13 - верхняя планка поясничного узла; 11 - подшипник вращения верхней планки поясничного блока; 18 - подшипник вращения нижней планки поясничного блока.
Фиг. 6. Поясничный узел экзоскелета, где 15 - шпилька поясничного узла; 14 - нижняя планка поясничного узла; 13 - верхняя планка поясничного узла; 11 - подшипник вращения верхней планки поясничного блока; 18 - подшипник вращения нижней планки поясничного блока; 16 - отверстие в нижней части боковой поверхности верхней планки поясничного узла; 17 - прямоугольные пазы с закруглениями по концам в боковой поверхности нижней планки поясничного узла.
Фиг. 7. Экзоскелет в рабочем положении.
Техническим результатом, обеспечиваемым совокупностью признаков заявляемого изобретения, является сокращение времени восстановления пациента после срастания сломанных костей, мышц, связок и сухожилий верхних конечностей, туловища и нижних конечностей. Это возможно за счет снятия части нагрузки с поврежденных участков тела в реабилитационный период времени с полной имитацией движения тела. Конструкция повторяет анатомически правильные движения конечностей и туловища за счет шарниров, позволяя усиливать мышцы и защищает от вывихов, растяжений и неестественных изгибов тела. Малый вес и эргономичное крепление пассивного экзоскелета делает его не заметным для пользователя и обеспечивает комфортное перемещение.
Заявляемое изобретение представляет собой пассивный экзоскелет, содержащий каркас с элементами крепления к туловищу; две пары тазобедренных 1 и голеностопных 2 рычагов, выполненных в форме пространственных оболочек, подвижно соединенных между собой и свободным концом тазобедренного рычага с каркасом; модулей плечевого сустава 3, плеча 4, предплечья 5, запястья 6 и кистей 7 соединенных шарнирно между собой и свободным концом модуля плечевого сустава с каркасом, отличающийся тем, что каркас состоит из плечевого блока 8 в виде широкой пластины ромбической формы, имеющей в середине сторон прорези с закрепленными в них с возможностью возвратно-поступательного перемещения эластичными ремнями 9 и элементы пространственных шарниров 10 плечевой дуги в боковых углах, со скошенным верхним углом и удлиненным в виде прямоугольника с закруглением нижним углом; соединенным посредством подшипника вращения 11 с поясничным блоком 12, состоящим из верхней 13 и нижней 14 планок поясничного блока, соединенных подвижно с возможностью возвратно-поступательного и вращательного перемещения, через стальную шпильку поясничного узла 15, проходящую внутри отверстий 16, выполненных в нижней части боковой поверхности верхней планки поясничного узла и через прямоугольные пазы 17 с закруглениями по концам в боковой поверхности нижней планки поясничного узла соединенной при помощи подшипника вращения 18 с серединной точкой поясничного модуля 19, состоящего из пояса-коромысла 20, изогнутого по форме поясничной области человека, имеющего по концам закругленные прямоугольные утолщения и соединения с тазобедренными рычагами с помощью подшипников вращения тазобедренного сустава 21; причем тазобедренные рычаги, выполненные в виде пластин, в нижней части вилкообразных с дугообразным соединением, имеющих четыре пары прорезей с закрепленными в них с возможностью возвратно-поступательного перемещения эластичными ремнями и закругленные прямоугольные утолщения в верхней части, и, соединенные снизу через подшипники вращения коленных суставов 22 с голеностопными рычагами, выполненными в виде пластин, в нижней части вилкообразных с дугообразным соединением, имеющих четыре пары прорезей с закрепленными в них с возможностью возвратно-поступательного перемещения эластичными ремнями; при этом каждый модуль плечевого сустава выполнен в виде металлического стержня 23, изогнутого по форме плечевого сустава человека с элементами пространственных шарниров на концах; модули плеча выполнены в виде пластин, в нижней части дугообразных по форме плеча человека с элементами пространственных шарниров по краям, имеющих три пары прорезей с закрепленными в них с возможностью возвратно-поступательного перемещения эластичными ремнями и закругленные прямоугольные утолщения в средней части; причем модули предплечья выполнены в виде двух прямых стержней 24, имеющих элементы пространственных шарниров на концах; а модуль запястья выполнен в виде пластины изогнутой по форме запястья человека с элементами пространственных шарниров и соединенной подшипниками вращения с боковой плоскостью кисти через короткий запястный рычаг 25, выполненный в виде пластины согнутой по форме боковой поверхности запястья, причем кисть выполнена в виде пластины, имеющей форму криволинейной трапеции, с длинной стороны которой располагаются дугообразные прорези под суставы проксимальных фаланг человека, а ее профиль изогнут по форме человеческого пястья, и, расположенной сверху, площадки для крепления корпуса сервопривода 26, реализующего возвратно поступательные движения соединенного с ним подшипником вращения рычага сервопривода 27, представляющего собой металлическую закругленную с обеих сторон пластину с отверстиями на концах, свободным концом соединенного с осью вращения проксимальных фаланг 28; причем ось вращения проксимальных фаланг выполнена в виде стержня в форме дуги, изогнутой по форме пястья человека, имеющей соединение с элементами проксимальных фаланг 29 через подвижные подшипники; при этом элементы проксимальных фаланг выполнены в виде пластин в форме разомкнутых трубок, имеющих закругленное удлинение и изогнутых по форме проксимальных фаланг человека, соединенных подшипниками вращения со средними фалангами 30, причем средние фаланги выполнены пластинчатыми в форме разомкнутых трубок, изогнутых по форме средних фаланг человека.
Предпочтительным дюралюминием является сплав алюминия Д16АТ, поскольку он обладает низкой плотностью, повышенной прочностью после закалки, не является токсичным и может обрабатываться на стандартном оборудовании механических мастерских.
Надежная фиксация экзоскелета на теле осуществляется за счет эластичных ремней 9 скрепленных восьмиобразными фиксаторами 34 для эластичных ремней 35 на тазобедренном рычаге 1, голеностопном рычаге 2, модуле плеча 4 и плечевом блоке 8. При необходимости пользователь может использовать фиксирующие ленты, пропущенные через крепления для фиксирующих ремней 31 для запястья и пястья.
При необходимости прикрепить вспомогательное оборудование для измерения, управления или сервоприводов можно использовать площадки для крепления вспомогательного оборудования 32, 33.
Пространственные шарниры предплечья могут быть выполнены из стали и/или фторопласта.
Детали конечностей имеют боковое расположение, что увеличивает нагрузку на конструкцию, по сравнению с фронтальным расположением, но позволяет сделать экзоскелет удобным и комфортным для пользователя за счет скрытого от мягких тканей расположения.
Разъемными соединениями экзоскелета являются модуль плеча 4, предплечье 5, кисть 7, поясничный узел 15 и плечевой блок 8 с модулями плечевых суставов 3, которые позволяют, при необходимости, использовать при реабилитации отдельного элемента костно-мышечного скелета только нужный узел экзоскелета и/или быстрее надевать экзоскелет на тело.
После длительной иммобилизации конечностей экзоскелет не позволит случиться вывихам, поскольку его шарниры могут перемещаться только в анатомически правильных для человеческого тела направлениях, а рычаги нерастяжимы, что снимает избыточную нагрузку в целом. При этом кисти, пальцы и предплечья остаются достаточно подвижными для выполнения ротации, супинации, сгибания и разгибания предплечья, сгибания и разгибания запястья, сгибания и разгибания пальцев. Сервоприводы позволяют увеличивать силу хвата за счет механического сгибания и/или разгибания проксимальных фаланг, которые в свою очередь сжимают/разжимают средние фаланги.
Вес тела пользователя давит на плечевой блок, через который нагрузка передается на поясничный узел, который можно заблокировать, и далее на поясничный блок. В поясничном блоке нагрузка распределяется на две нижние конечности в пропорции, зависящей от наклона корпуса вправо или влево, после чего передается в стопу. При необходимости свободного движения туловища пользователя поясничный узел оставляется не заблокированным, что дает возможность нагибаться вперед-назад и вправо-влево за счет подвижных подшипников.
Экзоскелет крепится на теле человека с помощью системы эластичных лямок с восьмиобразными фиксаторами. Элемент запястья, проксимальные и средние фаланги крепятся на теле за счет своей пространственной формы в виде буквы «С», что упрощает процесс фиксации на теле.
Изобретение может осуществляться следующим образом.
Пример 1. Человек проходит реабилитацию после сложных переломов одной или двух верхних конечностей, из-за которых присутствовала длительная иммобилизация, приведшая к атрофии мышц и повышенной вероятности таких травм, как вывихи суставов, растяжение связок и надрыв мягких тканей. Экзоскелет руки фиксируется на теле реабилитируемого пользователя от средних фаланг пальцев до плечевого сустава. При этом исключается вероятность травм в кисти и предплечье, поскольку рычаги предплечья позволят делать супинацию и пронацию кисти в пределах 180° относительно ее нейтрального положения, а короткий рычаг запястья сгибать и разгибать кисть в пределах 180° относительно ее нейтрального положения. Снижение тонуса мышц предплечий компенсируется сервоприводами, увеличивающими силу хвата пользователя.
Пример 2. При травме нижних конечностей, туловища или травм плечевого сустава изобретение можно использовать целиком, обеспечивая поддержку ослабших мышц спины поясничным узлом, который позволит наклоняться вперед-назад и вправо-влево в пределах 30° относительно нейтрального положения туловища человека. Также идет поддержка плечевого сустава и защита его от вывихов при недостаточном тонусе мышц. Плечевая дуга жесткая и нерастяжимая, поэтому не позволяет плечу отходить от плечевого сустава, а пространственные шарниры не ограничиваю подвижность. Нижние конечности усилены рамой голеностопного и тазобедренного рычагов, что защищает от вывихов коленного сустава и позволяет перераспределить вес пользователя ближе к стопе.
Для изготовления пассивного экзоскелета не требуется специального оборудования. Он может быть изготовлен на стандартном оборудовании механических мастерских.