ПРИВОД ЗВЕНА АКТИВНОГО ОРТЕЗА НОГИ

[0001] Заявляемая полезная модель относится к области медицинской техники, в частности к носимым вспомогательным средствам, содействующим двигательной активности человека, например таким, как экзоскелет нижних конечностей.
[0002] Известен привод звеньев экзоскелета нижних конечностей, описанный в опубликованной заявке US 2015/0025423, A61H 3/00, 2015, включающий расположенный на бедренном звене ортеза ноги электродвигатель с конической зубчатой передачей. Выходной вал конической зубчатой передачи через зубчатый редуктор связан с ответным звеном ортеза ноги экзоскелета - тазобедренным или голенным звеном. Недостатком данного привода являются его большие габариты и масса, а также высокое энергопотребление.
[0003] Известен также привод звеньев экзоскелета нижних конечностей, описанный в журнале Aktualne Problemy Biomechaniki, nr 6/2012, p.p. 43-50. Данный привод содержит располагаемое на бедренном звене ортеза ноги основание с установленными на нем электродвигателем, шарико-винтовой передачей и линейной направляющей с кареткой. Электродвигатель связан с винтом шарико-винтовой передачи при помощи зубчато-ременной передачи. Гайка шарико-винтовой передачи закреплена на каретке, с которой, в свою очередь, связан ремень передачи с гибкой связью, содержащей выходной шкив и направляющие ролики. Выходной момент привода снимается с выходного шкива, связанного с ответным звеном ортеза ноги экзоскелета - тазобедренным или голенным звеном. Недостатком данного привода являются большие линейные габариты, создающие сложности с размещением нескольких приводов одновременно на бедренном звене ортеза ноги.
[0004] Наиболее близким к заявляемому является привод активного ортеза, описанный в опубликованной международной заявке WO2016/034755, A61H 3/00, 2016. Данный привод содержит основание, размещаемое на одном из элементов активного ортеза. На основании установлены электродвигатель, шарико-винтовая передача и линейная направляющая с ползуном. Электродвигатель установлен соосно с винтом шарико-винтовой передачи и соединен с ним напрямую. Гайка шарико-винтовой передачи закреплена на ползуне. На основании также установлен поворотный кривошип, связываемый с ответным звеном активного ортеза. Поворот кривошипа осуществляется шатуном, шарнирно связанным с ползуном и кривошипом. Недостатком данного привода являются ограниченный угол поворота кривошипа, увеличенная длина, невысокий выходной крутящий момент.
[0005] Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в расширении арсенала технических средств приводов для вспомогательных устройств содействия двигательной активности человека за счет увеличения выходного крутящего момента привода.
[0006] Кроме того, техническим результатом также является улучшение массогабаритных характеристик, т.е. снижение массы и уменьшении размеров устройств, при увеличении угла поворота кривошипа и сохранении остальных возможностей и технических характеристик устройств.
[0007] Указанный технический результат достигается за счет того, что привод звена активного ортеза ноги, содержит основание, предназначенное для размещения на одном из звеньев ортеза, а также установленные на основании электродвигатель, шарико-винтовую передачу и линейную направляющую с ползуном.
[0008] Гайка шарико-винтовой передачи закреплена на ползуне, а винт шарико-винтовой передачи связан с электродвигателем посредством зубчато-ременной передачи. Таким образом, электродвигатель располагается параллельно винту шарико-винтовой передачи, что позволяет уменьшить осевые габариты (длину) привода. Редуцирование крутящего момента в зубчато-ременной передаче позволяет использовать электродвигатель меньших габаритов, что, в свою очередь приводит к уменьшению поперечных габаритов (высота, ширина) привода.
[0009] На основании с возможностью поворота установлен кривошип, выполненный в виде двуплечего рычага. Первое плечо двуплечего рычага конструктивно выполнено так, что его части расположены с обеих сторон винта шарико-винтовой передачи. Например, он может быть в виде вилки, охватывающей винт шарико-винтовой передачи с обеих сторон. Второе плечо предназначено для установки на ответном звене ортеза ноги.
[0010] По обеим сторонам винта шарико-винтовой передачи расположены два шатуна каждый из которых одним концом шарнирно соединен с ползуном, а другим концом шарнирно соединен с соответствующей стороной первого плеча кривошипа.
[0011] Ось вращения кривошипа расположена в пределах (габаритах) винта шарико-винтовой передачи в плоскости, перпендикулярной оси винта шарико-винтовой передачи, таким образом, что шарнир, соединяющий шатун с первым плечом кривошипа, пересекает указанную плоскость в процессе работы привода.
[0012] Такое выполнение и расположение кривошипа позволяет уменьшить общие габариты привода и получить угол поворота выходного звена, соответствующий углам поворота нижних конечностей в суставах человека. Кроме того, такое выполнение позволяет получить практически постоянный (мало меняющийся) максимальный момент на достаточно большом угле поворота кривошипа.
[0013] Поскольку в общем случае активный ортез ноги может включать в себя тазовое (или поясное) звено, бедренное звено, голенное звено и звено ступни, то основание привода может располагаться соответственно на тазовом звене для осуществления приводом поворота бедренного звена относительно тазового звена, на бедренном звене для поворота бедренного звена относительно тазового звена, на бедренном звене для поворота бедренного звена относительно голенного звена, на голенном звене для поворота голенного звена относительно бедренного звена, на голенном звене для поворота звена ступни относительно голенного звена, а также на звене ступни для поворота звена ступни относительно голенного звена.
[0014] Кроме того, основания двух приводов могут одновременно располагаться на бедренном звене ортеза для осуществления поворота бедренного звена относительно тазового звена и голенного звена относительно бедренного звена. Поскольку бедренное звено обладает меньшей амплитудой и скоростью движения, за счет этого значительно снижается масса и момент инерции голенного звена.
[0015] Такое расположение является предпочтительным при использовании активного ортеза ноги в составе экзоскелета нижних конечностей, так как приводит к улучшению динамических характеристик экзоскелета. Улучшение динамических характеристик приводит, в свою очередь, к уменьшению потребной мощности приводов и общей потребляемой экзоскелетом энергии или, другими словами, к повышению экономичности.
[0016] Вышеизложенное представляет собой краткое изложение сущности полезной модели и, таким образом, может содержать упрощения, обобщения, включения и/или исключения подробностей; следовательно, специалистам в данной области техники следует принять во внимание, что данное краткое изложение сущности полезной модели является только иллюстративным и не подразумевает какое-либо ограничение.
[0017] Для лучшего понимания сути предлагаемого технического решения ниже приводится описание конкретного примера выполнения полезной модели, не являющееся ограничительным примером практической реализации привода звена активного ортеза ноги в соответствии с данной полезной моделью со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее.
[0018] На фиг. 1 изображен общий вид экзоскелета нижних конечностей с заявляемым приводом (элементы крепления на человеке - носителе условно не показаны).
[0019] На фиг. 2 изображен общий вид ортеза ноги.
[0020] На фиг. 3 изображен общий вид заявляемого привода в первом крайнем положении.
[0021] На фиг. 4 изображен общий вид заявляемого привода во втором крайнем положении.
[0022] На фиг. 5 изображена схема работы привода.
[0023] Следует учесть, что на чертежах представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа предложения, а сопутствующее оборудование, хорошо известное специалистам в данной области, на чертежах не представлено.
[0024] Как указывалось ранее, основным назначением заявляемого привода является перемещение звеньев активных экзоскелетов нижних конечностей. На фиг. 1 показан человек - носитель 1 с упомянутым активным экзоскелетом 2, состоящим из поясной части 3 и двух ортезов 4 ног. Как и ноги человека, ортезы 4 активного экзоскелета 2 нижних конечностей являются зеркальным отражением друг друга.
[0025] Как показано на фиг. 2 ортез 4 ноги включает в себя бедренное звено 5 и голенное звено 6. На бедренном звене 5 установлены два привода 7 с управляющими контроллерами 8. Ось 9 поворота бедренного звена 5 относительно поясной части 3 активного экзоскелета 2 соответствует тазобедренному суставу. Ось 10 поворота голенного звена 6 относительно бедренного звена 5 соответствует коленному суставу.
[0026] На фиг. 3 и фиг. 4 показан привод 7, осуществляющий поворот бедренного звена 5 относительно поясной части 3 активного экзоскелета 2. Указанный привод содержит основание 11 (на фиг. 3, 4 основание условно изображено прозрачным) с установленным на нем электродвигателем 12. Внутри основания 11 расположена линейная направляющая 13 по которой перемещается ползун 14.
[0027] В установленном на основании 11 подшипниковом узле 15 размещен винт 16 шарико-винтовой передачи. Гайка 17 шарико-винтовой передачи закреплена на ползуне 14 и имеет возможность перемещения вместе с ним по направляющей 13. Электродвигатель 12 связан с винтом 16 шарико-винтовой передачи посредством зубчато-ременной передачи 18.
[0028] В основании 11 с возможностью поворота на оси 9 установлен кривошип 19, выполненный в виде двуплечего рычага. Первое плечо А двуплечего рычага конструктивно выполнено так, что его части расположены с обеих сторон винта 16 шарико-винтовой передачи. Второе плечо В предназначено для крепления на ответном звене, в данном случае на поясном звене 3. Ось 9 вращения кривошипа 19 расположена в габаритах винта 16 шарико-винтовой передачи в плоскости S (см. фиг. 5), перпендикулярной оси винта 16 шарико-винтовой передачи.
[0029] По обеим сторонам винта 16 шарико-винтовой передачи расположены два шатуна 20 каждый из которых одним концом шарнирно соединен с ползуном 14, а другим концом шарнирно соединен с соответствующей стороной первого плеча А кривошипа 19.
[0030] Работа привода 7 звена активного ортеза ноги осуществляется следующим образом. По команде с контроллера 8 включается двигатель 12, который через ременную передачу 18 передает вращение на винт 16 шарико-винтовой передачи. Ползун 14 перемещается из положения 14а в положение 14b (см. фиг. 5).
[0031] Ползун 14 тянет за собой шатуны 20, которые перемещаются из положения 20а в положение 20b. Шатуны 20, в свою очередь, тянут за собой первое плечо А кривошипа 19, который поворачивается из положения 19а в положение 19b на угол α, соответствующий углу поворота тазобедренного сустава человека.
[0032] В процессе работы привода шарниры, соединяющие шатуны 20 с первым плечом А кривошипа, пересекает плоскость S, перпендикулярную оси винта 16 шарико-винтовой передачи. Это позволяет получить практически постоянный (изменяемый в небольших пределах) максимальный крутящий момент на выходном звене привода - кривошипе - на значительном угле его поворота.
[0033] Хотя в данном документе были описаны различные стороны осуществления заявленной полезной модели, специалистам в данной области техники понятно, что возможны другие подходы к осуществлению данной полезной модели. Различные стороны и реализация данной полезной модели изложены в настоящем описании в иллюстративных целях и не подразумевают ограничения, причем объем защиты настоящей полезной модели указан в нижеследующей формуле полезной модели.