ТАЗОБЕДРЕННОЕ СОЧЛЕНЕНИЕ ЭКЗОСКЕЛЕТОНА

Полезная модель относится к области медицины и протезирования, а именно к травматологии и ортопедии, а также может быть использована в качестве тазобедренного шарнирного узла для сочленения тазового и бедренного звеньев экзоскелетонов, управляемых за счет использования мускульной силы человека и используемых в туризме, спорте и при проведении спасательных и армейских операций.
Известно тазобедренное шарнирное сочленение тазового и бедренного звеньев экзоскелетона, содержащее первую, вторую и третью кинематические цилиндрические вращательные пары, причем первая и вторая кинематические пары выполнены в виде вращательных пар с подвижными звеньями, а третья кинематическая пара - в виде вращательной пары с одним неподвижным и одним подвижным звеньями, первое подвижное звено первой кинематической пары жестко смонтировано на тазовом звене экзоскелетона, первое подвижное звено второй кинематической пары - на втором подвижном звене первой кинематической пары, неподвижное звено третьей кинематической пары - на втором подвижном звене второй кинематической пары, а подвижное звено - на бедренном звене экзоскелетона (патент США №8057410, опубл. 15.11.2011).
В данном тазобедренном сочленении экзоскелетона оси валов первой и второй кинематических пар не лежат в одной плоскости и, следовательно, не могут одновременно проходить через центр тазобедренного сустава пользователя (оператора) экзоскелетона, что отрицательно сказывается на эргономических характеристиках экзоскелетона.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является тазобедренное сочленение тазового и бедренного звеньев экзоскелетона, содержащее кронштейн и первую, вторую и третью кинематические цилиндрические вращательные пары, причем первая и вторая кинематические пары выполнены в виде вращательных пар с подвижными звеньями, а третья кинематическая пара - в виде вращательной пары с одним неподвижным и одним подвижным звеньями, первое подвижное звено первой кинематической пары жестко смонтировано на одном конце кронштейна, первое подвижное звено второй кинематической пары - на другом конце кронштейна, а неподвижное звено третьей кинематической пары - на втором подвижном звене второй кинематической пары, причем геометрические оси валов первой и второй кинематических пар лежат в одной плоскости и перпендикулярны друг другу, а геометрическая ось вала третьей кинематической пары перпендикулярна геометрической оси вала второй кинематической пары (Kazerooni Н: Exoskeletons for Human Performance Augmentation // Springer Handbook of Robotics. - Siciliano, Khatib (Eds.). Springer 2008, р.778, fig.33.20.).
В данном тазобедренном сочленении экзоскелетона не предусмотрена «подгонка» его размера под конкретного человека-пользователя экзоскелетона, а также отсутствуют элементы, позволяющие зафиксировать в произвольном положении вторую кинематическую пару при движении ноги в сагиттальной плоскости, что снижает безопасность пользователя и удобство эксплуатации экзоскелетона в целом.
Техническим результатом, на достижение которого направлена данная полезная модель, является улучшение эргономических характеристик тазобедренного сочленения и безопасности пользователя экзоскелетона.
Для достижения указанной цели в известном тазобедренном сочленении экзоскелетона, содержащем кронштейн и первую, вторую и третью кинематические цилиндрические вращательные пары, причем первая и вторая кинематические пары выполнены в виде вращательных пар с подвижными звеньями, а третья кинематическая пара - в виде вращательной пары с одним неподвижным и одним подвижным звеньями, первое подвижное звено первой кинематической пары жестко смонтировано на одном конце кронштейна, первое подвижное звено второй кинематической пары - на другом конце кронштейна, а неподвижное звено третьей кинематической пары - на втором подвижном звене второй кинематической пары, причем геометрические оси валов первой и второй кинематических пар лежат в одной плоскости и перпендикулярны друг другу, а геометрическая ось вала третьей кинематической пары перпендикулярна геометрической оси вала второй кинематической пары, кронштейн снабжен прямолинейными участками, выполненными с возможностью изменения и фиксации стопорами их длины, вторая кинематическая пара снабжена управляемым механизмом ее фиксации, второй гидроцилиндр смонтирован на первом подвижном звене второй кинематической пары, и в состав тазобедренного шарнирного узла экзоскелетона введены средство управления механизмом фиксации второй кинематической пары и гидравлическая линия, причем управляющий вход механизма фиксации второй кинематической пары подключен к управляющему выходу средства управления механизмом фиксации второй кинематической пары посредством гидравлической линии.
Использование тазобедренного сочленения в составе экзоскелетона поясняется чертежами, приведенными на фиг.1, 2 и 3.
На фиг.1 приведена кинематическая схема тазобедренного сочленения экзоскелетона, на фиг.2 - схематично показано средство управления механизмом фиксации второй кинематической пары при ручном управлении, а на фиг.3 - средство управления механизмом фиксации второй кинематической пары при ножном управлении.
На фиг.1, 2 и 3 обозначены: 1 и 2 - соответственно тазовое и бедренное звенья экзоскелетона; 3 - кронштейн; 4, 5 и 6 - соответственно первая, вторая и третья кинематические цилиндрические вращательные пары; 7 и 8 - соответственно первое и второе подвижные звенья первой 4 кинематической пары; 9 и 10 - соответственно первое и второе подвижные звенья второй 5 кинематической пары; 11 и 12 - соответственно неподвижное и подвижное звенья третьей 6 кинематической пары; 13, 14 и 15 - геометрические оси вращения первой 4, второй 5 и, соответственно, третьей 6 кинематических пар; 16 и 17 - прямолинейные участки кронштейна 3; 18 - механизм фиксации второй 5 кинематической пары; 19 - средство управления механизмом 18 фиксации второй 5 кинематической пары; 20 и 21 - соответственно первый и второй гидроцилиндры; 22 и 23 - шток первого 20 и второго 21 гидроцилиндра соответственно; 24 - тормозной диск; 25 - тормозная колодка; 26 - гидравлическая линия; точка О - точка пересечения геометрической оси 13 вращения первой 4 кинематической пары с геометрической осью 14 вращения второй 14 кинематической пары; 27 - геометрическая ось, проходящая через точку О параллельно геометрической оси 15 третьей 6 кинематической пары; 28 - управляющий вход механизма 18 фиксации второй 5 кинематической пары; 29 - выход средства 19 управления механизмом 18 фиксации; 30 - элемент управления положением штока 23 второго 21 гидроцилиндра; 31 - стелька с подпружиненной задней частью; 32 - башмак; 33 стопа экзоскелетона.
Тазобедренное сочленение тазового 1 и бедренного 2 звеньев экзоскелетона содержит кронштейн 3 и первую 4, вторую 5 и третью 6 кинематические цилиндрические вращательные пары, причем первая 4 и вторая 5 кинематические пары выполнены в виде вращательных пар с подвижными звеньями 7, 8 и 9, 10 соответственно, а третья 6 кинематическая пара - в виде вращательной пары с одним неподвижным 11 и одним подвижным 12 звеньями, первое 7 подвижное звено первой 4 кинематической пары жестко смонтировано на одном конце кронштейна 3, первое 9 подвижное звено второй 5 кинематической пары - на другом конце кронштейна 3, а неподвижное звено 11 третьей 6 кинематической пары - на втором 10 подвижном звене второй 5 кинематической пары, причем геометрические оси вращения 13 и 14 соответственно первой 4 и второй 5 кинематических пар лежат в одной плоскости и перпендикулярны друг другу, а геометрическая ось 15 третьей 6 кинематической пары перпендикулярна геометрической оси 14 вращения второй 5 кинематической пары.
Кронштейн 3 снабжен прямолинейными участками 16 и 17, выполненными с возможностью изменения и фиксации стопорами их длины (стопора на фиг.1 не показаны), вторая 5 кинематическая пара снабжена управляемым механизмом 18 ее фиксации, и в состав тазобедренного шарнирного узла экзоскелетона введены средство 19 управления механизмом 18 фиксации второй 5 кинематической пары и гидравлическая линия 26, причем управляющий вход механизма 18 фиксации второй 5 кинематической пары подключен к управляющему выходу средства 19 управления механизмом 18 фиксации второй 5 кинематической пары посредством гидравлической линии 26.
Механизм фиксации 18 второй 5 кинематической пары содержит тормозной диск 24, жестко смонтированный на втором 9 подвижном звене второй 5 кинематической пары, первый 20 гидроцилиндр, тормозную колодку 25, смонтированную на штоке 22 первого 20 гидроцилиндра с возможностью взаимодействия с тормозной колодкой 25, при этом штуцер первого 20 гидроцилиндра соединен с управляющим входом механизма 18 фиксации второй 5 кинематической пары.
Для обеспечения ручного управления механизмом 18 фиксации второй 5 кинематической пары, средство 19 управления механизмом 18 фиксации второй 5 кинематической пары содержит (фиг.2) второй 23 гидроцилиндр, штуцер которого соединен с выходом 29 средства 19 управления механизмом 18 фиксации, элемент 30 управления положением штока 23 второго 21 гидроцилиндра, выполненный, например, в виде кнопки или рычажного переключателя, смонтированных с возможностью взаимодействия со штоком 23 второго 21 гидроцилиндра, причем корпус второго 21 гидроцилиндра и корпус элемента 30 управления положением штока 23 второго 21 гидроцилиндра смонтированы на едином основании, размещенном в месте, удобном для доступа рукой человека, например, на одном из элементов крепления экзоскелетона к туловищу человека, например, на поясе.
Для обеспечения ножного управления механизмом 18 фиксации второй 5 кинематической пары, средство 19 управления механизмом 18 фиксации второй 5 кинематической пары содержит (фиг.3) второй 21 гидроцилиндр, штуцер которого соединен с выходом 29 средства 19 управления механизмом 18 фиксации, элемент 30 управления положением штока 23 второго 21 гидроцилиндра, выполненный в виде подпружиненной задней части 30 стельки 31, установленной внутри башмака 32, смонтированного на стопе 33 экзоскелетона, причем элемент 30 управления положением штока 23 второго 21 гидроцилиндра смонтирован с возможностью взаимодействия со штоком 23 второго 21 гидроцилиндра, установленного в стопе 33 экзоскелетона.
Рассмотрим работу тазобедренного сочленения в составе экзоскелетона.
Перед началом работы с помощью соответствующих элементов крепления (поясов, лямок, застежек и т.п.) прикрепляют экзоскелетон к верхней части туловища и к нижним конечностям, в том числе бедренное 2 звено экзоскелетона - к бедру человека, а ступни ног размещает внутри башмаков 32. Затем с помощью телескопических элементов, размещенных на прямолинейных участках 16 и 17 кронштейна 3 осуществляют «подгонку» габаритных размеров тазобедренного сочленения под габариты пользователя таким образом, чтобы точка О пересечения геометрических осей вращения 13 и 14 первой 4 и, соответственно, второй 5 кинематических пар совпала бы с центром тазобедренного сустава человека и с помощью стопоров (на фиг.1 не показаны) жестко фиксируют телескопические элементы.
Благодаря этому, бедренное 2 звено экзоскелетона при не зафиксированных кинематических парах 4, 5 и 6 будет копировать движение бедра человека. При этом поворот вокруг оси 13 вращения первой 4 кинематической пары будет копировать движение отведение-приведение бедра человека (поворот во фронтальной плоскости вокруг сагиттальной оси), поворот вокруг оси 14 вращения второй 5 кинематической пары - движение сгибание-разгибание бедра (поворот в сагиттальной плоскости вокруг фронтальной оси), а поворот вокруг оси 15 вращения третьей 6 кинематической пары - ротацию бедра человека вокруг оси 27, соединяющей центры тазобедренного и коленного суставов человека.
Тазобедренный сочленение экзоскелетона обеспечивает возможность функционирования экзоскелетона в двух фазах - в фазе опорного движения и в фазе безопорного движения ножных опор.
Причем в фазе опорного движения обеспечивается возможность «запирания» тазобедренного сочленения экзоскелетона при вращении бедра человека в сагиттальной плоскости как при ручном, так и при ножном управлении механизмом фиксации 18, а в фазе безопорного движения - режим копирования положения тазобедренного сустава человека.
При этом, для осуществления режима копирования необходимо обеспечить отсутствие контакта тормозной колодки 25 с тормозным диском 24. А это, в свою очередь, обеспечивается при выдвинутом штоке 23 второго 21 гидроцилиндра (см. фиг.2 и 3), то есть при отсутствии давления на шток 23 со стороны элемента 30 управления положением штока 23 как при ручном так и при ножном управлении.
Наибольшую нагрузку испытывают мышцы ног человека при вертикальном подъеме тела и груза с положения приседания, т.е. когда обе опорные ноги согнуты, в том числе, и в бедренных суставах. Но даже в этих условиях соблюдаются щадящие условия работы мышц, так как подъем масс может осуществляться поэтапно, чередуя напряжение и расслабление работающих мышц, что обеспечивается механизмом фиксации шарнирных сочленений, в том числе и тазобедренных сочленений экзоскелетона. В данном случае появляется возможность поднимать тяжести гораздо большей массы.
Для обеспечения фиксации («запирания») второй 5 кинематической пары необходимо переместить тормозную колодку 25 до контакта с тормозным диском 24. А для обеспечения этого контакта необходимо как в режиме ручного, так и в режиме ножного управления обеспечить выдвижение штока 22 первого гидроцилиндра 20 механизма 18 фиксации второй 5 кинематической пары.
При ручном управлении (фиг.2) механизмом 18 фиксации второй 5 кинематической пары элемент 30 управления положением штока 23 второго 21 гидроцилиндра, выполненный, например, в виде кнопки или рычажного переключателя, переводят в положение, в котором он давит на шток 23 второго 21 гидроцилиндра. Вследствии этого часть жидкости из второго 21 гидроцилиндра через выход 29 средства 19 управления механизмом 18 фиксации и гидравлическую линию 26 подается на управляющий вход 28 механизма 18 второй 5 кинематической пары и далее в полость первого 20 гидроцилиндра. В результате шток 22 первого 20 гидроцилиндра выдвигается и тормозная колодка 25 упирается в тормозной диск 24, осуществляя тем самым фиксацию или «запирание» второй 5 кинематической пары.
При ножном управлении (фиг.3) механизмом 18 фиксации второй 5 кинематической пары элемент 30 управления положением штока 23 второго 21 гидроцилиндра средства 19 управления механизмом 18 фиксации выполнен в виде подпружиненной задней части 30 стельки 31, установленной внутри башмака 32, смонтированного на стопе 33 экзоскелетона
Фиксация («запирание») второй 5 кинематической пары в этом случае осуществляется при переносе центра тяжести тела человека на пятку. При переносе центра тяжести на носок, задняя часть 30 стельки 31 снова изгибается и вторая 5 кинематическая пара «отпирается».
Таким образом, в данном тазобедренном сочленении экзоскелетона предусмотрены регулировка его размера под конкретного пользователя и возможность фиксации в произвольном положении второй кинематической пары при движении ноги в сагиттальной плоскости, что повышает безопасность пользователя и удобство эксплуатации экзоскелетона в целом.
То есть происходит улучшение эргономических характеристик тазобедренного сочленения и экзоскелетона в целом.
Проведенные авторами и заявителем патентные исследования показали что аналогов предложенным существенным отличиям нет.