Экзоскелетон

Полезная модель относится к области медицины и протезирования, а именно к травматологии и ортопедии, а также может быть использована в качестве устройств помощи при ходьбе, используемых в туризме, спорте и при проведении спасательных и армейских операций.
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, отличающийся тем, что каркас выполнен в виде двухчастного корсета, с укрепленными на нем продольными направляющими, переходящими с передней на заднюю часть корсета, при этом соединение рычагов с каркасом осуществляется посредством компенсатора, установленного с возможностью перемещения по направляющим при изменении угла между каркасом и тазобедренным рычагом, а рычаги выполнены в виде пространственных оболочек, размещаемых с возможностью фиксации на передней части бедра и голени элементами крепления, а элемент крепления к опорам стоп выполнен в виде шарнирного узла, фиксируемого на обуви с возможностью поворота стопы вокруг трех осей координат (см. пат. РФ №  2362598 от 10.09.2007).
Недостатком данного устройства является большая масса, габариты  и сложность в изготовлении отдельных деталей.
Наиболее близким, по общей совокупности признаков, к заявляемому устройству является экзоскелетон, включающий в себя основание и привод поступательного движения, отличающийся тем, что, основание выполнено в виде трех звеньев, причем стойка шарнирно соединена с бедренным звеном, а бедренное звено шарнирно соединено с голенным звеном, которое шарнирно соединено со стопой, привод поступательного движения  выполнен в виде трех независимых линейных приводов, кинематически связанных попарно со звеньями  основания (см. патент на полезную модель № 156350 от 12.10.2015).
Недостатком данного устройства является то, что при движении возможно особое положение при котором, оси стойки, бедренного и голенного звена, совпадают, при этом линейные приводы, соединяющие эти звенья, находятся в крайнем положении, что значительно увеличивает нагрузку на шарниры, соединяющие звенья. При этом в шарнирах возникают значительные крутящие моменты, что создает трудности для дальнейшего движения и существенно снижает динамические и эксплуатационные характеристики.
Задача полезной модели – повышение динамических и эксплуатационных характеристик.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве, включающем в себя основание и привод поступательного движения, основание выполнено в виде трех звеньев, причем стойка шарнирно соединена с бедренным звеном, а бедренное звено шарнирно соединено с голенным звеном, которое шарнирно соединено со стопой, привод поступательного движения  выполнен в виде трех независимых линейных приводов, кинематически связанных попарно со звеньями основания, а линейные приводы подвижно закреплены на звеньях с помощью двуплечих рычагов, кинематически связанных с приводами поступательного движения, неподвижно закрепленными на звеньях основания.
Отличительные признаки в заявляемом техническом решении не выявлены при изучении данной и смежных областей техники.
Совокупность заявляемых признаков обеспечивает достижение задачи полезной модели – повышение динамических и эксплуатационных характеристик.
На фиг.1 показано произвольное положение экзоскелетона, на фиг.2 – вертикальное положение.
Экзоскелетон включает в себя основание, состоящее из стойки 1, бедренного звена 2 и голенного звена 3, которые при помощи гибких эластичных ремней 4, 5 и 6 крепятся к поясу, бедру и голени человека. Между собой звенья 1, 2 и 3 соединены с помощью цилиндрических шарниров 7 и 8.  К стойке 1 при помощи цилиндрического шарнира  присоединен двуплечий рычаг 9, один конец которого подвижно соединен с выходным валом привода поступательного движения 10, соединенного с бедренным звеном 2 при  помощи цилиндрического шарнира, а другой конец двуплечего рычага 9 подвижно соединен с приводом поступательного движения 11, установленным неподвижно на стойке 1. К нижней части бедренного звена 3 при помощи цилиндрического шарнира присоединен двуплечий рычаг 12, один конец которого подвижно соединен с выходным валом привода поступательного движения 13, соединенного с голенным звеном 3 при помощи цилиндрического шарнира, а другой конец двуплечего рычага 12 подвижно соединен с приводом  поступательного движения 14, установленным неподвижно на бедренном звене 2. К нижней части голенного звена 3 при помощи цилиндрического шарнира  присоединен двуплечий рычаг 15, один конец которого подвижно соединен с выходным валом привода поступательного движения 16, соединенного со стопой 17 при помощи цилиндрического шарнира, а другой конец двуплечего рычага 15 подвижно соединен с приводом поступательного движения 18, установленным неподвижно на голенном звене 3. Между собой голенное звено 3 и стопа 17 соединены при помощи шарнира 19. На шарнирах 7, 8 и 19 закреплены неподвижно концевые датчики (на рис. не показаны).  На каждом из поступательных приводов  10, 13 и 16 установлены датчики углового положения (на фиг. не показаны). На стопе 17 неподвижно закреплен датчик  давления 20.
Работа устройства осуществляется следующим образом. При попытке человека совершить движение нижней конечностью, сигнал от датчика давления 20 поступает на систему компьютерного управления (на рис. не показана), которая в соответствии с заданной программой управления, подает питающее напряжение на приводы поступательного движения 10, 13 и 16. При этом бедренное звено 2 и голенное звено 3 с помощью приводов поступательного движения  10, 13 и 16, датчиков углового положения  и цилиндрических шарниров 7, 8 и 19 поворачиваются на заданные углы до момента отрыва стопы 17 от поверхности. Далее бедренное звено 2, голенное звено 3 и стопа 17 совершают поворот до момента соприкосновения с поверхностью. В момент касания поверхности стопой 17, от датчика давления 20 поступает сигнал на микроконтроллер - приводы бедренного звена 10, голенного звена 13 и стопы 16 начинают устанавливаться в начальное положение. Затем цикл повторяется. При попадании звеньев в особое положение, при котором оси стойки 1, бедренного 2 и голенного звена 3 совпадают, сигналы от датчиков углового положения поступают в систему компьютерного управления, которая в соответствии с заданной программой управления, подает питающее напряжение на приводы 11, 14 и 18, которые посредством двуплечих рычагов 9, 12 и 15 поворачивают линейные приводы 10, 13 и 18 на заданные углы  поворота. На случай сбоев в работе экзоскелетона, предусмотрены концевые датчики на каждом из шарниров 7, 8 и 19, которые сигнализируют микроконтроллеру о немедленной остановке выполнения заданного процесса.
Использование предлагаемой конструкции экзоскелетона позволяет расширить функциональные возможности его применения по сравнению с прототипом, а также снизить нагрузку на шарниры, соединяющие звенья.