КОЛЕННЫЙ ШАРНИР ЭКЗОСКЕЛЕТОНА
KNEE JOINT OF EXOSKELETON

Изобретение относится к области медицины и протезирования, а именно к травматологии и ортопедии, а также может быть использовано в качестве коленных шарниров экзоскелетонов, используемых в туризме, спорте и при проведении спасательных и армейских операций.
Известен коленный шарнир пассивного грузового экзоскелетона, содержащий два тормозных диска и зажимную втулку, находящиеся на оси шарнирного соединения бедренного и голенного звеньев экзоскелетона, при этом зажимная втулка одним концом связана с неподвижным тормозным диском, а противоположным концом, выполненным в виде опорного фланца, через буфер с подвижным тормозным диском, связанным с одним из звеньев, по меньшей мере, одним храповым механизмом (патент РФ №2362598, опубл. 27.07.2009).
Данный шарнир конструктивно сложен, не позволяет осуществлять фиксацию относительного положения бедренного и голенного звеньев при произвольном угле фиксации и может оказаться неработоспособным при попадании влаги или масла на тормозные диски.
Наиболее близким к предложенному изобретению является коленный шарнир экзоскелетона, содержащий роликовую обгонную муфту с поводковой вилкой, причем обойма обгонной муфты встроена в выполненный в виде втулки конец бедренного звена экзоскелетона, а ступица обгонной муфты смонтирована на выполненном в виде вала конце голенного звена экзоскелетона, причем втулка бедренного звена, вал голенного звена, вал поводковой вилки, обойма и ступица расположены соосно (патент РФ №2075986, опубл. 27.03.1997).
Управление режимом работы этого коленного шарнира осуществляется при помощи тросов, что приводит к неудобству в обслуживании и эксплуатации. Кроме того, данное устройство металлоемко и сложно в эксплуатации. Указанные факторы снижают надежность работы устройства.
Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является упрощение конструкции коленного шарнира, снижение металлоемкости, повышение удобства в обслуживании и эксплуатации, а также надежности работы коленного шарнира.
Для достижения указанного технического результата в коленный шарнир экзоскелетона, содержащий роликовую обгонную муфту с поводковой вилкой, причем обойма обгонной муфты встроена в выполненный в виде втулки конец бедренного звена экзоскелетона, а ступица обгонной муфты смонтирована на выполненном в виде вала конце голенного звена экзоскелетона, причем втулка бедренного звена, вал голенного звена, вал поводковой вилки, обойма и ступица расположены соосно, согласно изобретению введены электродвигатель, первый вход питания которого соединен с первым выводом источника электропитания, нормально замкнутый управляемый выключатель, первая клемма которого подключена ко второму выводу источника электропитания, выключатель, одна клемма которого соединена со второй клеммой управляемого выключателя, установленный на валу голенного звена датчик момента, кинематически связанный с валом электродвигателя, управляемый переключатель, сигнальный вход которого соединен со вторым входом питания электродвигателя, резистор, первый вывод которого подключен к первому сигнальному выходу управляемого переключателя, а второй вывод - ко второму сигнальному выходу управляемого переключателя и другой клемме выключателя, первый и второй датчики силы, встроенные соответственно в переднюю и заднюю части подошвы башмака, смонтированного на опорной части голеностопного звена, первый и второй пороговые элементы, подключенные к выходам соответственно первого и второго датчиков силы, датчик угла относительного поворота бедренного и голенного звеньев экзоскелетона, при этом корпус датчика угла относительного поворота бедренного и голенного звеньев смонтирован на втулке бедренного звена, а вал датчика кинематически связан с валом голенного звена, задатчик требуемого угла фиксации коленного шарнира, элемент сравнения, первый вход которого подключен к выходу датчика угла относительного поворота бедренного и голенного звеньев, а второй вход - к выходу задатчика требуемого угла фиксации коленного шарнира, третий пороговый элемент, вход которого подключен к выходу элемента сравнения, элемент «И», первый вход которого подключен к выходу третьего порогового элемента, второй вход - к выходу второго порогового элемента, третий вход - к выходу первого порогового элемента, а выход - к управляющему входу управляемого выключателя, и четвертый пороговый элемент, вход которого подключен к выходу датчика момента, а выход - к управляющему входу управляемого переключателя, при этом вал голенного звена выполнен полым, вал поводковой вилки соединен с валом электродвигателя, корпус которого смонтирован внутри вала голенного звена, а вал электродвигателя расположен соосно ступице.
Возможно, что в качестве источника электропитания для коленного шарнира использована батарея или аккумулятор.
Возможно, что в качестве источника электропитания для коленного шарнира использована электрическая сеть постоянного или переменного тока.
На фиг.1 приведена кинематическая схема коленного шарнира экзоскелетона, на фиг.2 показана конструкция коленного шарнира с присоединенными к нему бедренным и коленным звеньями экзоскелетона, а на фиг.3 показана схема управления коленным шарниром.
На фиг.1, 2 и 3 обозначены: 1 - роликовая обгонная муфта, 2 -, поводковая вилка, 3 - обойма обгонной муфты, 4 - втулка бедренного звена экзоскелетона, 5 - бедренное звено экзоскелетона, 6 - ступица обгонной муфты, 7 - вал голенного звена экзоскелетона, 8 - голенное звено экзоскелетона, 9 - вал поводковой вилки, 10 - электродвигатель, 11 - источник электропитания, 12 - нормально замкнутый управляемый выключатель, 13 - выключатель, 14 - управляемый переключатель, 15 - резистор, 16 и 17 - соответственно первый и второй датчики силы, 18 - подошва башмака, 19 - башмак, 20 - опорная платформа голеностопного звена экзоскелетона, 21 - голеностопное звено экзоскелетона, 22 и 23 - соответственно первый и второй пороговые элементы, 24 - датчик угла относительного поворота бедренного и голенного звеньев экзоскелетона, 25 - вал датчика угла относительного поворота бедренного и голенного звеньев экзоскелетона, 26 - задатчик требуемого угла фиксации коленного шарнира, 27 - элемент сравнения, 28 - третий пороговый элемент, 29 - датчик момента развиваемого электродвигателем, 30 - элемент «И», 31 - четвертый пороговый элемент, 32 - ролики, 33 - поджимное устройство, 34 и 35 -щеки, 36 - вал электродвигателя, 37 и 38 - соответственно первая и вторая шпонка, 39 и 40 - соответственно первая и вторая крышка, 41 - вал датчика момента.
Коленный шарнир, описанный в предлагаемом изобретении, предназначен для использования в составе экзоскелетона, содержащего грузовую платформу, закрепляемую на верхней части туловища человека, две ножные опоры, закрепляемые на нижних конечностях человека и упирающиеся в землю в фазе упора, причем каждая ножная опора состоит из бедренного звена 5, шарнирно соединенного с грузовой платформой, голенного звена 8, одним концом соединенного с бедренным звеном 5 через коленный шарнир, и шарнирно соединенных голенного звена 8 и голеностопного звена 21, со смонтированным на нем башмаком 19.
Коленный шарнир экзоскелетона содержит роликовую обгонную муфту 1 с поводковой вилкой 2, причем обойма 3 обгонной муфты 1 встроена в выполненный в виде втулки 4 конец бедренного звена 5 экзоскелетона, а ступица 6 обгонной муфты 1 смонтирована на выполненном в виде вала 7 конце голенного звена 8 экзоскелетона, причем втулка 4 бедренного звена 5, вал 7 голенного звена 8, вал 9 поводковой вилки 2, обойма 3 и ступица 6 расположены соосно.
Кроме того, коленный шарнир экзоскелетона содержит электродвигатель 10, первый вход питания которого соединен с первым выводом источника электропитания 11, нормально замкнутый управляемый выключатель 12, первая клемма которого подключена ко второму выводу источника электропитания 11, выключатель 13, одна клемма которого соединена со второй клеммой управляемого выключателя 12, установленный на валу 7 голенного звена 8 датчик момента 29, вал 41 которого кинематически связан с валом 36 электродвигателя 10, управляемый переключатель 14, сигнальный вход которого соединен со вторым входом питания электродвигателя 10, резистор 15, первый вывод которого подключен к первому сигнальному выходу управляемого переключателя 14, а второй вывод - ко второму сигнальному выходу управляемого переключателя 14 и другой клемме выключателя 13, первый и второй датчики силы 16 и 17, встроенные соответственно в переднюю и заднюю части подошвы 18 башмака 19, смонтированного на опорной части 20 голеностопного звена 21, первый и второй пороговые элементы 22 и 23, подключенные к выходам соответственно первого 16 и второго 17 датчиков силы, датчик 24 угла относительного поворота бедренного 5 и голенного 8 звеньев экзоскелетона, при этом корпус датчика 24 угла относительного поворота бедренного 5 и голенного 8 звеньев смонтирован на втулке 4 бедренного звена 5, а вал 25 датчика 24 кинематически связан с валом 7 голенного звена 8.
Кроме того, коленный шарнир экзоскелетона содержит задатчик 26 требуемого угла фиксации коленного шарнира, элемент сравнения 27, первый вход которого подключен к выходу датчика 24 угла относительного поворота бедренного 5 и голенного 8 звеньев, а второй вход - к выходу задатчика 26 требуемого угла фиксации коленного шарнира, третий пороговый элемент 28, вход которого подключен к выходу элемента сравнения 27, элемент «И» 30, первый вход которого подключен к выходу третьего порогового элемента 28, второй вход - к выходу второго порогового элемента 23, третий вход - к выходу первого порогового элемента 22, а выход - к управляющему входу управляемого выключателя 12, и четвертый пороговый элемент 31, вход которого подключен к выходу датчика момента 29, а выход - к управляющему входу управляемого переключателя 14.
При этом вал 7 голенного звена 8 выполнен полым, вал 9 поводковой вилки 2 соединен с валом 36 электродвигателя 10, корпус которого смонтирован внутри вала 7 голенного звена 8, а вал 36 электродвигателя 10 расположен соосно ступице 6.
Источник электропитания 11 в виде аккумулятора или батареи установлен на грузовой платформе экзоскелетона, а выключатель 13 и задатчик 26 требуемого угла фиксации коленного шарнира в месте, доступном для рук человека, например, на выносном пульте.
Роликовая обгонная муфта, являющаяся стандартизованным изделием машиностроения, известным из технической литературы, и описанная, например, на стр.215-225 в книге: Анурьев В.И. Справочник конструктора - машиностроителя. В 3 т. Т.2 - 5-е изд., - М.: Машиностроение, 1978. и в книге: Пилипенко М.Н. Механизмы свободного хода. - М. - Л.: Машиностроение, 1966, - 288 с., состоит из обоймы 3, ступицы 6, роликов 32 и поджимных устройств 33, состоящих из штифтов и подпружинивающих их пружин.
Осевое перемещение роликов 32 ограничивается двумя щеками 34 и 35, которые прикрепляются к торцовой поверхности ступицы 6 винтами. Для передачи крутящего момента (включения или запирания муфты) необходимо обеспечить заклинивание роликов 32 между цилиндрической поверхностью обоймы 3 и профилирующей поверхностью ступицы 6. Ведущим элементом может быть как ступица 6, так и обойма 3. Включение муфты при вращении ступицы 6 происходит при повороте ступицы 6 относительно обоймы 3 по часовой стрелке или, наоборот, обоймы 3 относительно ступицы 6 против часовой стрелки. При этом ролики 32 закатываются в узкую часть межклинового пространства между ступицей 6 и обоймой 3 и заклиниваются между ними. Относительное движение обоймы 3 в противоположном направлении заставляет ролики 32 выкатываться в более широкую часть межклинового пространства между обоймой 3 и ступицей 6; при этом происходит выключение муфты и возможно свободное движение обоймы 3.
Расклинивание муфты может совершаться и без снятия внешнего момента путем выталкивания роликов 32 из межклинового пространства с помощью поводковой вилки 2, соединенной с валом 36 электродвигателя 10.
Коленный шарнир экзоскелетона должен обеспечить возможность функционирования экзоскелетона в двух фазах - в фазе опорного движения и в фазе без опорного движения ножных опор.
При этом в фазе опорного движения необходимо обеспечить запирание коленного шарнира экзоскелетона при согнутой на заданный угол ноге оператора экзоскелетона, а в фазе безопорного движения - режим копирования положения коленного сустава человека.
Перед началом работы с помощью соответствующих элементов крепления (поясов, лямок, застежек и т.п.) человек в положении «СИДЯ» прикрепляет экзоскелетон к верхней части туловища и к нижним конечностям, ступни ног размещает внутри башмаков 19, устанавливает выключатель 13 в положение «ВКЛЮЧЕНО» и задатчиком 26 задает требуемый угол фиксации коленного шарнира.
При нахождении человека в положении «СИДЯ» силы, действующие на подошву 18 и измеряемые датчиками силы 16 и 17, незначительны и на выходе первого 22 и второго 23 пороговых элементов присутствует сигнал логического «0». Поэтому на выходе элемента «И» 30 также присутствует сигнал логического «0» и управляемый выключатель 12 остается в замкнутом состоянии, а следовательно, и электродвигатель 10 остается включенным.
При переходе человека из положения «СИДЯ» в положение «СТОЯ» он переходит в фазу опорного движения. При этом сила, действующая на подошву 18, увеличивается и сначала на выходе датчика силы 16, а затем и на выходе датчика силы 17 появляется сигнал логической «1».
Одновременно с этим уменьшается и угол относительного поворота вала 7 относительно втулки 4, измеряемый датчиком 24 угла поворота. И при угле поворота, равном заданному, на выходе элемента сравнения 27 и, соответственно, на выходе третьего порогового элемента 28, на выходе элемента «И» 30 появляется сигнал логической «1». При поступлении этого сигнала на управляющий вход управляемого выключателя 12 управляемый переключатель 14 размыкается, прерывая тем самым цепь подачи питания на электродвигатель 10, в результате чего он выключается. В результате выключения электродвигателя 10 усилие, действующее со стороны вала 36 электродвигателя 10 через поводковую вилку 2 на ролики 32, исчезает и поджимное устройство 33 выталкивает ролики 32 в межклиновое пространство и коленный шарнир «запирается».
Теперь рассмотрим работу коленного шарнира экзоскелетона в режимах сгибания и разгибания коленного сустава человека в фазе безопорного движения, в которой электродвигатель 10 находится во включенном состоянии.
В режиме сгибания коленного сустава человека электродвигатель 10 через поводковую вилку 2 и ролик 32 создает усилие, достаточное для «утапливания» прижимного устройства 33 в зубе ступицы 6, а сама ступица 6 под действием мускульной силы человека для варианта конструкции муфты, показанного на фиг.2, свободно вращается по часовой стрелке относительно обоймы 3.
В фазе безопорного движения при переходе в режим разгибания коленного сустава человека мускульное усилие, воздействующее на ролики 32, существенно превышает усилие, оказываемое на эти ролики 32 со стороны поводковой вилки 2, соединенной с валом 36 электродвигателя 10.
В результате ступица 6 будет вращаться против часовой стрелки, а ток электродвигателя 10 будет увеличиваться и необходимо обеспечивать его ограничение.
Для этого используется сигнал с датчика 29 момента, который в четвертом пороговом элементе 31 сравнивается с заданной величиной порогового сигнала. При превышении величины порогового сигнала на выходе четвертого порогового элемента 31 появляется сигнал логической «1», управляемый переключатель 14 переключается и в цепь питания электродвигателя 10 включается высокоомный резистор 15, снижая тем самым величину тока электродвигателя 10 до требуемого значения.
Таким образом, требуемое управление коленным шарниром экзоскелетона как в фазе опорного, так и в фазе безопорного движения обеспечивается с помощью электродвигателя и типовых датчиков и электронных элементов без применения конструктивно сложных в изготовлении и обслуживании, металлоемких и малонадежных механических элементов и тросовых передач.
В результате этого упрощается конструкция коленного шарнира, происходит снижение металлоемкости и повышение удобства в обслуживании и эксплуатации, а также повышается надежность работы коленного шарнира, т.е. обеспечивается заявленный технический результат.
Проведенные авторами и заявителем патентные исследования показали, что аналогов приведенным существенным отличиям нет.