Модульный экзоскелет

Область техники, к которой относиться полезная модель
Полезная модель относится к устройствам, облегчающим подъем и перемещение грузов, для усиления физических возможностей человека и повышения безопасности при работе в условиях тяжелого физического труда.
Одной из распространенных травм во время работы являются травмы позвоночника, которые возникают при неправильном подъеме и переносе грузов. При правильном подъеме груз должен подниматься за счет ног при прямой спине [1]. Формирование правильного прогиба позвоночника, а также снижение нагрузки на организм человека при выполнении различных работ возможно обеспечить за счет применения экзоскелета.
Экзоскелет  техническое средство, одеваемое на человека и предназначенное для увеличения физической силы человека. На данный момент существует две группы экзоскелетов: активные и пассивные.
Активные экзоскелеты характеризуются наличием: системы силовых приводов, электронной системой управления, системами энергопитания. На данный момент активные экзоскелеты достаточно сложны и дороги в производстве и требовательны к условиям эксплуатации из чего стоимость их внедрения на сегодняшний день остается крайне высокой.
Пассивные экзоскелеты функционируют за счет мускульной силы человека и способны обеспечить равномерное распределение нагрузки на организм человека, чем снижают общую утомляемость при работе, и как следствие, это увеличивает производительность труда. Так же данные экзоскелеты весьма просты в изготовлении и эксплуатации.
Уровень техники
Из уровня техники известно устройство US №2019216630 (опубл. 18.07.2019 г.) содержащее: опорную раму, бедренные звенья, генераторы крутящего момента, при этом генераторы крутящего момента соединяют опорную раму с бедренными звеньями и создают крутящий момент, который поддерживает туловище.
Недостатками данного устройства являются
недостаточная подвижность корпуса, обусловленная жестким исполнением конструкции экзоскелета;
нет фиксации правильного прогиба позвоночника при наклоне;
отсутствуют механизмы разгрузки рук при подъеме и переносе груза, для этого необходимо устанавливать другой модуль, что привод к увеличению массы и габаритов экзоскелета;
нет возможности работать в статичной позе при зафиксированном угле наклона, что ограничивает область применения экзоскелета;
отсутствует поддержка брюшного давления, необходимая при работе с тяжелыми грузами, что может привести к нарушению здоровья человека;
конструктивное исполнение опорной рамы экзоскелета ограничивает его применение среди женщин.
Так же известно устройство US №2020113725 (опубл. 16.04.2020 г.) содержащее: биометрическую полужесткую опорную систему, ремни для крепления к телу и панель обратной связи. При этом панель обратной связи расположена на спине пользователя в месте, соответствующем средней грудной области пользователя. Такая компоновка заставляет пользователя ощущать обратную связь по давлению на спину при сгибании и скручивании туловища.
Недостатками данного устройства являются
экзоскелет не способен обеспечить помощь при выпрямлении туловища после наклона, что ограничивает область применения данного экзоскелета;
нет возможности работать в статичной позе при зафиксированном угле наклона, что ограничивает область применения экзоскелета;
расположение ремней способно пережать вены и артерии, идущие к рукам, что может вызывать онемение и, как следствие, нарушение здоровья человека;
полужесткая опора давит в спину пользователю при неправильном наклоне, это сказывается на удобстве при эксплуатации;
отсутствие возможности расширения функциональных возможностей экзоскелета за счет установки дополнительных модулей.
Так же известно мобильное поддерживающее устройство из патента US №5951591 (опубл. 14.09.1999 г.) содержащее: раму, к которой крепятся нагрудный ремень, зажим для ремня и удлинители для ног. Нагрудный ремень носит рабочий и поддерживается системой из эластичного шнура и шкивов. Ремень натягивается на верхнюю часть тела, когда рабочий наклоняется вперед, и таким образом обеспечивает поддержку. Чем дальше пользователь наклоняется вперед, тем сильнее натягиваются шнуры, и, таким образом, больше поддерживается спина.
Недостатками данного технического решения являются
нет фиксации правильного прогиба позвоночника при наклоне;
устройство не оказывает помощь при выпрямлении;
отсутствие возможности расширения функциональных возможностей за счет установки дополнительных модулей;
нет механизмов разгрузки рук при подъеме и переносе груза;
нет механизмов разгрузки позвоночника при переносе груза.
Так же известно изобретение по патенту WO №2019/074350 (опубл. 18.04.2019 г.) содержащее: каркас, ремень, пояс для живота, изогнутые рычаги, вогнутый поворотный модуль, эластичный элемент, трубчатую раму, нескользящий ремень и силиконовую пену с эффектом памяти.
Недостатками данного технического решения являются:
отсутствие возможности расширения функциональных возможностей за счет установки дополнительных модулей;
нет правильной фиксации позвоночника при наклоне;
нет механизмов разгрузки рук при подъеме и переносе груза;
нет механизмов разгрузки позвоночника при переносе груза.
Еще известен пассивный экзоскелет по патенту RU №194544U1 (опубл. 13.12.2019 г. Бюл. №4) принимаемый за прототип, содержащий грудную опору, поясничную опору, опору для бедер, рессоры и выполнен в виде корсета, соединяющего грудную и поясничную опоры и снабженного опорной пластиной в области позвоночника, расположенной между грудной и поясничной опорами и выполненной с расширением до упора с осью правой и левой лопаток, а также внутренней и наружной рессорами, жестко закрепленными с опорной пластиной и установленными в области поясничной опоры, кроме того, он дополнительно снабжен поясом с застежкой, соединенным с поясничной опорой, а также двумя эластомерами, соединенными Х-образно на спине с нагрудными регулирующими стропами и задней частью опор для бедер.
Недостатками известного технического решения являются:
корсет плотно прилегает к телу человека ухудшая тем самым естественную вентиляцию, что приводит к увеличению потливости человека, и как следствие, снижает удобство при эксплуатации и эффективность труда;
для ходьбы и бега необходимо провисание эластомеров, в результате чего человек в условиях производства может зацепиться эластомерами за различные объекты окружающей среды, что может привести к поломке экзоскелета или травме человека;
при полном натяжении эластомеров в вертикальном положении стоя, усложняется процесс ходьбы и бега, т.к эластомеры ограничивают фазу шага, что сказывается на удобстве при эксплуатации и безопасности перемещения;
перед выполнением производственной операции, связанной с подъемом и переносом груза, необходимо каждый раз регулировать натяжение эластомеров;
отсутствует поддержка брюшного давления, необходимая при работе с тяжелыми грузами, что может привести к нарушению здоровья человека;
нет механизмов разгрузки рук при взятии груза с земли;
рессора и опорная пластина не обеспечивает жесткую фиксацию торса, в результате чего человек при наклоне может неправильно согнуть спину, при подъеме груза большой массы неправильный наклон увеличивает шансы получения травмы позвоночника;
нет возможности работать в статичной позе при зафиксированном угле наклона, что ограничивает область применения экзоскелета;
нет возможности быстрого сброса экзоскелета, что может привести к травмам человека во время чрезвычайных ситуаций;
отсутствие возможности расширения функциональных возможностей экзоскелета за счет установки дополнительных модулей.
Раскрытие полезной модели
Целью и задачей полезной модели является разработка модульной конструкции экзоскелета обеспечивающего расширение его функциональных возможностей за счет установки дополнительных модулей, а также повышение удобства и безопасности при эксплуатации.
Техническими результатами заявленной полезной модели являются:
расширение функциональных возможностей экзоскелета;
снижение нагрузки на руки, брюшной отдел, позвоночник при взятии и переносе груза;
повышение удобства и безопасности при эксплуатации.
Это достигается тем, что в отличие от известного технического решения данный экзоскелет содержит раму, выполненную по форме в виде буквы «Г», которая соединяет нагрудную пластину, спинную пластину и пояс со смонтированной набрюшной пластиной и трубчатым креплением, за счет установки универсальных креплений, при этом универсальные крепления необходимы для установки дополнительных модулей таких как: подголовник, фронтальная опора, эластичные тросы с зацепами, ролик, через который параллельно протянуты упругий и неупругий элементы соединённые с набедренными манжетами; активный модуль, при этом спинная пластина выполнена по форме естественного прогиба позвоночника человека и содержит велкроткань и мягкие прокладки для настройки под индивидуальные особенности человека, а упругий и неупругие элементы содержат пряжки для регулировки степени провиса и силы натяжения данных элементов, так же набедренные манжеты содержат велкроткань для быстрого их закрепления и сброса, а активный модуль содержит: корпус, микроконтроллер, лебедку, батарею, трос, карабин, датчик углового перемещения, сенсор.
Сущность предложенной конструкции модульного экзоскелета заключается в следующем.
Экзоскелет выполнен в виде модульной конструкции, благодаря сочетанию рамы и универсальных креплений становиться возможным установка различных дополнительных модулей, что расширяет функциональные возможности экзоскелета и позволяет формировать набор из необходимых модулей под конкретную производственную задачу.
При наклоне человек непроизвольно сгибает спину в поясничном отделе, что является недопустимым при работе с различными грузами, поэтому необходима фиксация позвоночника в правильном (прямом) положении. Это достигается за счет применения рамы, выполненной по форме в виде буквы «Г» с установленной нагрудной, спиной пластины и поясом со смонтированной набрюшной пластиной, которые обеспечивают жесткую фиксацию туловища человека за счет равномерного давления в трех точках (грудь, поясница, брюшная область) и тем самым ограничивают перемещение грудного и поясничного отдела, в результате чего человек не сможет согнуться неправильно и таким образом формируется правильный прогиба спины, что снижает вероятность получения травм при подъеме и переносе груза.
Выбор рамы обусловлен тем, что не только обеспечивается возможность установки на экзоскелет дополнительных модулей, но и обеспечивается лучшая вентиляция за счет малых площадей контакта с туловищем человека и значительных по размерам зазоров между туловищем и рамой, что сказывается на удобстве при эксплуатации. Так же рама обеспечивает более быстрое надевание экзоскелета и позволяет избавиться от применения различных ремней для фиксации экзоскелета на теле человека, что в свою так же сказывается на удобстве при эксплуатации и позволяет быстро сбросить экзоскелет в экстренной ситуации.
Одной из распространенных травм при подъеме груза большой массы является грыжа живота, которая возникает при избыточном внутрибрюшном давлении [2]. Для снижения риска травм живота при подъеме и переносе груза, на поясе содержится набрюшная пластина для поддержания необходимого брюшного давления. Набрюшная пластина с поясом выполняют функции атлетического пояса, который в данный момент используют спортсмены при выполнении тяжелых физических упражнений.
По необходимости в трубчатое крепление устанавливается фронтальная опора, которая обеспечивает дополнительную жесткость раме и способствует более равномерному распределению массы переносимого груза с рук на бедра человека. Фронтальная опора выполнена в виде пары «винт-гайка» для возможности индивидуальной регулировки под каждого человека.
Ролик обеспечивает возможность ходьбы и бега при максимальном натяжении упругого и неупругого элемента т.к при перестановке одной ноги вперед, а другой назад происходит изменение длин данных элементов. Максимальное натяжение необходимо для устранения провисания данных элементов и для улучшения удобства при эксплуатации. В результате чего нет необходимости перед выполнением работы каждый раз регулировать величину провиса и силу натяжения упругого и неупругого элемента. Так же обеспечивается полезная работа с вертикального положения стоя.
Набедренные манжеты застегиваются на велкроткани, что ускоряет процесс надевания и быстрого сброса экзоскелета в экстренной ситуации.
На раме, на уровне плеч человека закрепляются эластичные тросы с зацепами через универсальные крепления. Они обеспечивают частичную компенсацию массы переносимого груза и снижают нагрузки на мышцы бицепса, за счет предварительного их натяжения при помощи разгиба рук перед взятием груза.
Подголовник обеспечивает снижение нагрузки на мышцы шеи.
В случае необходимости на экзоскелет дополнительно устанавливается активный модуль, который переводит пассивный экзоскелет в активный и оказывает существенную помощь при выпрямлении туловища.
Описание чертежей
Признаки и сущность заявленного модульного экзоскелета поясняются чертежами:
Фиг. 1  изображен вид общий модульного экзоскелета;
Фиг. 2  вид спереди;
Фиг. 3  вид сзади;
Фиг. 4  вид сбоку;
Фиг. 5  правильная установка модульного экзоскелета на теле человека и фиксация правильного прогиба позвоночника;
Фиг. 6  общий вид захвата;
Фиг. 7  работа захвата;
Фиг. 8  растяжение упругого элемента при наклоне;
Фиг. 9  возвращение туловища в исходное положение;
Фиг. 10  работа эластичных тросов с захватами при подъёме груза;
Фиг. 11  распределение массы переносимого груза с рук на пояс;
Фиг. 12  работа упругого элемента при вставании человека с корточек;
Фиг. 13а  работа ролика, вид сзади;
Фиг. 13б  процесс ходьбы;
Фиг. 14  работа ролика при отсутствии движения;
Фиг. 15  работа ролика при движении;
Фиг. 16  установленный активный модуль;
Фиг. 17  общий вид активного модуля;
Фиг. 18  входное воздействие на сенсор.
Осуществление полезной модели
Модульный экзоскелет (фиг. 1-4) представляет собой раму 1, выполненную по форме в виде буквы «Г», на которую устанавливаются нагрудная пластина 2, универсальные крепления 3, спинная пластина 4, пояс 5, набрюшная пластина 6, трубчатое крепление 7, фронтальная опора 8, эластичными тросы 9, зацепы 10, ролик 11, упругий элемент 12, неупругий элемент 13, набедренные манжеты 14, пряжки 15, велкроткань 16, мягкие прокладки 17, ручки 18, подголовник 19, тяги 20, активный модуль 21, корпус 22, микроконтроллер 23, батарея 24, лебедка 25, трос 26, карабин 27, датчик углового перемещения 28, сенсор 29.
Модульный экзоскелет работает следующим образом.
На человека через голову надевается рама 1, на которую с помощью универсальные крепления 3 предварительно закрепили: нагрудную пластину 2; спинную пластину 4 соединенную с поясом 5 со смонтированным на нем набрюшной пластиной 6 и трубчатым креплением 7; эластичные тросы 9 с зацепами 10; ролик 11 через который параллельно протянуты упругий элемент 12 и неупругий элемент 13, которые соединены с набедренными манжетами 14.
После застегивается пояс 5 на уровне брюшного отдела  и закрепляются на ноги человека  набедренные манжеты 14 с помощью велкроткани 16. Далее вращая ручку 18, человек ослабляет фиксацию универсальных креплений 3 и тем самым становиться возможным регулировка высоты рамы 1 относительно спинной пластины 4. Рама 1 устанавливается на таком уровне, при котором нагрудная пластина 2 касается груди человека, после чего универсальные крепления 3 снова зажимаются и таким образом обеспечивается фиксация туловища в правильном положении (фиг. 5). Для снижения дискомфорта возникаемого при фиксации туловища человека, на нагрудной пластине 2 и спинной пластине 4 устанавливаются мягкие прокладки 17. Регулировка прогиба спинной пластины 4 под индивидуальные особенности человека, обеспечивается за счет установки мягких прокладок 17 разной толщины. Крепление мягких прокладок 17 обеспечивается за счет велкроткани 16.  Чтобы не было провиса упругого элемента 12 и неупругого элемента 13, человек регулирует их длину через пряжку 15, тем самым подтягивая упругий и неупругий элементы к ближе к телу. Зацепы 10 фиксируются на ладонях человека (фиг. 6). Подголовник 19 устанавливается по ситуации в зависимости от типа выполняемой работы. После чего модульный экзоскелет готов к работе.
Модульный экзоскелет обеспечивает выполнение ряда производственных задач.
Пример 1. Наклоняясь вперед, человек ложится верхней частью груди на нагрудную пластину 2, тем самым перенося массу своего туловища на раму 1. Продолжая наклон, упругий элемент 12 растягивается, запасая энергию и при последующем возвращении туловища в вертикальное положение упругий элемент 12 высвобождает накопленную энергию снижая тем самым нагрузку на мышцы спины и мышцы ног при выпрямлении (фиг. 8,9). При этом возможность согнуть спину при наклоне неправильно у человека отсутствует из-за ограничения перемещения грудного и поясничного отдела позвоночника, которое обеспечивает рама 1, нагрудная пластина 2, спинная пластина 4 и пояс 5 с набрюшной пластиной 6 благодаря равномерному давлению в трех точках (фиг. 5). Регулировка длины упругого элемента 12 позволяет изменять силу его натяжения, что позволяет совершать экзоскелету больше полезной работы при возвращении туловища в вертикальное положение после наклона.
Пример 2. При взятии груза с земли человек выпрямляет руки, тем самым растягивая эластичные тросы 9, которые запасают энергию. И захватив груз за счет зацепов 10 (фиг. 7, 10), при последующем отрыве груза от земли, эластичные тросы 9 возвращаются в исходные положения снижая тем самым нагрузку на бицепсы человека. Выпрямившись и держа груз в руках, через зацепы 10 и эластичные тросы 9 масса переносимого груза «повисает» на раме 1 и через нее она перераспределяется на пояс 5 и ложится на бедра человека, минуя тем самым позвоночник, что снижает вероятность травм позвоночника (фиг. 11).
Зацеп 10 выполнен в виде перчатки надеваемой на ладонь человека и содержит тяги 20, которые соединены с эластичным тросом 9 (фиг. 6). При подъеме груза тяги 20 натягиваются и тянут проксимальные фаланги пальцев, по итогу масса груза приходится на тяги 20, что снижает нагрузку на мышцы предплечья (фиг. 7).
Пример 3. Неупругий элемент 13 ограничивает угол наклона вперед в результате человек может повиснуть туловищем на заданном угле, при этом разгружаются мышцы спины. Таким образом обеспечивается работа в статичной позе. Это особо актуально для работников за конвейером, врачей, системных администраторов, поваров и др. чья работа заключается вынуждено находиться в положении стоя/сидя с наклоном туловища вперед.
Пример 4. Правильным способом поднятия груза с земли является приседание на корточки с прямой спиной, взятие груза в руки и подъем за счет мышц ног. Данный экзоскелет так же обеспечивает помощь при выпрямлении, за счет крутящего момента, который возникает при приседании и растяжении упругого элемента 12 (фиг. 12).
Применение данного модульного экзоскелета не ограничивается перечисленными примерами и спектр выполняемых задач неограничен.
При переносе груза значительной массы дополнительно устанавливается набрюшная пластина 6, для поддержания необходимого брюшного давления, что снижает вероятность получения грыжи живота. Также, в случае необходимости устанавливается фронтальная опора 8 в трубчатое крепление 7 и универсальное крепление 3 на раме 1, тем самым придавая большую жесткость системе, что способствует более равномерному распределению массу переносимого груза по всей талии человека.
Благодаря ролику 11, через который параллельно протянуты упругий элемент 12 и неупругий элемент 13, человек имеет возможность ходить и бегать при максимальном натяжении данных элементов, т.к при перестановке одной ноги вперед, а другой назад происходит изменение длин данных элементов.
l
l
l
l
l
l
1
2
1
2
1
2
Для пояснения введем параметры длин упругого и неупругого элемента 12, 13 на участках от набедренной манжеты 14 до ролика 11 (фиг. 13а, фиг. 14), где  - длина упругого и неупругого элемента от набедренной манжеты до ролика для левой ноги;  - длина упругого и неупругого элемента от набедренной манжеты до ролика для правой ноги. Когда человек стоит (фиг. 14) длина одинакова  = и при наклоне работа упругого и неупругого элемента 12, 13 осуществляется. При начале ходьбы, человек переносит свой центр массы и переставляет одну ногу вперед, при этом другая нога остается на месте, но из-за особенностей процесса ходьбы и бега тело человека опускается (фиг. 13б) в результате чего длина  изменяется и становиться меньше, в то время как длина  увеличивается соответственно. Т.е. происходит перетягивание упругого и неупругого элемента через ролик, что позволяет человеку ходить без стеснения движения (фиг. 15). Так же это расширяет функциональные возможности экзоскелета, т.к. работа упругого элемента 12 и неупругого элемента 13 в такой схеме возможна из вертикального положения стоя, и для осуществления ходьбы/бега нет необходимости регулировать длину данных элементов.
В случае необходимости на экзоскелет дополнительно устанавливается активный модуль 21 (фиг. 16) который переводит пассивный экзоскелет в активный. Для этого активный модуль 21 содержит корпус 22, микроконтроллер 23, батарею 24, лебедку 25, трос 26, карабин 27, датчик углового перемещения 28, сенсор 29 (фиг. 17). Активный модуль 21 устанавливает за счет универсальных креплений 3 на раме 1, при этом с экзоскелета снимается ролик 11 с упругим элементом 12, и трос 26 соединяется с неупругим элементом 13 за счет карабина 27, при этом функции ролика 11 выполняет карабин 27. Так же на раму 1 устанавливается сенсор 29.
В нейтральном положении, когда сигнал от сенсора 29 не поступает на микроконтроллер 23, трос 26 свободно перемещается, не мешая человеку при ходьбе и беге. В рабочем положение на сенсор 29 подается входной сигнала в виде физического воздействия на него подбородком человека (фиг. 18), в результате подается управляющий сигнал на микроконтроллер 23 и в зависимости от величины входного сигнала (сила нажатия) подается питание на лебедку 25, которая накручивает трос 26 и тот через карабин 27 в свою очередь тянет неупругий элемент 13, по итогу происходит выпрямление туловища.
После воздействия на сенсор 28, установленный на валу лебедки 24 датчик углового перемещения 27 считывает количество оборотов и вносит данные в память микроконтроллера 23 до момента прекращения воздействия. Затем включается реверс с количеством оборотов равным количеству занесенных в память оборотов, для возвращения троса 25 в исходное положение.
Модульный экзоскелет обеспечивает снижение нагрузки на организм человека при выполнении ряда производственных задач, что приводит к снижению общей утомляемости человека и как следствие к повышению производительности труда. Так же модульный экзоскелет снижает вероятность получения травм при подъеме и переносе груза за счет фиксации туловища в правильном положении, поддержании необходимого брюшного давления и распределении массы переносимого груза на бедра минуя позвоночник, а использование рамы и универсальных креплений обеспечивает возможность расширения функциональных возможностей экзоскелета за счет установки дополнительных модулей. Так же экзоскелет учитывает анатомические особенности каждого человека за счет широкого спектра различных регулировок, что сказывается на удобстве при эксплуатации.
Предлагаемый модульный экзоскелет может найти применение в металлургии, машиностроении, строительстве, МЧС, медицине, сфере логистики и в других отраслях, где требуется работа с поднятием и переносом грузов и активными наклонами.
Источники информации:
1. БЕЗОПАСНОСТЬ, ОХРАНА ЗДОРОВЬЯ И УСЛОВИЯ ТРУДА / Учебное пособие Шведского Объединенного Совета по охране труда в промышленности, разработанное в сотрудничестве с МОТ.  Москва Пермь: МОТ, 2004.  160 с.
2. В.В. Шимко, А.А. Сысолятин. Грыжи живота: учебное пособие  Благовещенск: Амурск. гос. мед. Академия, 2010.  150 с.