PL238628B1 - Układ obrotowy przyramienia egzoszkieletu pasywnego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Układ obrotowy przyramienia egzoszkieletu pasywnego zapewniający pełną fizjologiczną ruchomość kończyny górnej w łopatce i stawie, przeznaczony do mocowania w elementach nośnych gorsetów terapeutycznych.

Z amerykańskiego opisu patentowego US7410338B2 znany jest egzoszkielet o 16 stopniach swobody obejmujący elementy ramienia, przedramienia i nadgarstka, przy czym w rozwiązaniu tym stosowane są przeguby obrotowe oraz przesuwne. W innej publikacji (J. Perry, Rosen J. Burns S. „Upperlimb powered exoskeleton design” IEEE/ASME transactions on mechatronics, 2007, 12, 408) opisano egzoszkielet o 7 stopniach swobody (3 stopnie swobody w barku, 2 stopnie swobody w łokciu, dwa stopnie swobody w nadgarstku). W polskim opisie patentowym ujawniono egzoszkielet kończyny górnej również o 7 stopniach swobody, wyposażony w cięgna oraz niezależne napędy w każdej z osi obrotu. Wskazane rozwiązania posiadają bardzo złożoną konstrukcję kinematyczną oraz są wyposażone w napędy, czujniki elektroniczne oraz mikroprocesory, wspierając stymulowany ruch kończyn górnych. Koszt produkcji takich urządzeń stanowi często barierę finansową ograniczającą ich powszechne stosowanie.

Celem wynalazku było opracowanie uproszczonego układu obrotowego przyramienia egzoszkieletu pasywnego, który zapewni możliwie najmniejsze straty energii kinetycznej podczas ruchu, co jest szczególnie istotne w przypadku dzieci z niedowładem kończyn górnych, przy jednoczesnej pełnej funkcjonalności takiego układu.

Istotą wynalazku jest układ obrotowy przyramienia egzoszkieletu pasywnego, mocowany korzystnie do gorsetu terapeutycznego, wyposażony w zawiasy oraz element przymocowania i elementy nośne egzoszkieletu. Układ ten posiada co najmniej dwie wzdłużne osie obrotu i co najmniej jedną ortogonalną do nich poprzeczną oś obrotu elementów nośnych egzoszkieletu, a zawiasy umożliwiające obrót w tych osiach wyposażone są w łożyska magnetyczne. Układ ten charakteryzuje się tym, że łożyska magnetyczne złożone są z podzespołu obrotowego występującego między podzespołami stabilizującymi, a podzespół obrotowy posiada magnes pierścieniowy, natomiast podzespoły stabilizujące posiadają magnesy pierścieniowe oraz symetrycznie rozmieszczone magnesy oczkowe. Magnesy usytuowane są tak, aby poprzez siły odpychania uniemożliwić bezpośredni kontakt podzespołu obrotowego z podzespołami stabilizującymi.

Korzystnie jest, jeżeli stosunek wzajemnych odległości, kolejno pierwszej osi wzdłużnej do najbliższego punktu powierzchni gorsetu, drugiej osi wzdłużnej do pierwszej osi wzdłużnej, osi poprzecznej do drugiej osi wzdłużnej wynosi, odpowiednio 1 : 5 : 1. Najlepiej, jeżeli elementy przymocowania i nośne, oraz podzespoły łożysk wykonane są metodą tzw. druku 3D, korzystnie z tworzywa polimerowego, natomiast magnesy są neodymowe, przy czym magnes pierścieniowy podzespołu obrotowego ma wcięcia na komplementarne wypusty tego podzespołu łożyska zawiasu.

Korzystnymi skutkami rozwiązania według wynalazku jest zminimalizowanie tarcia i ułatwienie ruchu kończyn dzieciom z ich niedowładem, co zrealizowano głównie przez ograniczenie liczby stopni swobody (badania wykazały, że 3 osie obrotu są już wystarczające) oraz przez zastosowanie łożysk magnetycznych ułatwiających bezstratny obrót poszczególnych członów tego układu. Prosta konstrukcja układu według wynalazku istotnie obniża jego koszt i czyni go znacznie bardziej przystępnym finansowo.

Przykład realizacji wynalazku został zobrazowany na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ obrotowy przyramienia egzoszkieletu pasywnego przymocowany do gorsetu terapeutycznego, fig. 2 wskazuje odległości istotne dla funkcjonalności tego układu, natomiast fig. 3 i fig. 4 przedstawiają korzystną konstrukcję zastosowanego łożyska magnetycznego w zawiasach.

Do gorsetu terapeutycznego 1 zamocowano układ obrotowy przyramienia egzoszkieletu złożony z zawiasów 2, elementu przymocowania 3 i elementów nośnych 4 egzoszkieletu. Układ w przykładzie realizacji posiadał dwie wzdłużne osie 5a, 5b obrotu i jedną ortogonalną do nich poprzeczną oś 6 obrotu elementów nośnych 4 egzoszkieletu. Stosunek wzajemnych odległości Xi, Χ2, Χ3, kolejno pierwszej osi wzdłużnej 5a do najbliższego punktu powierzchni P gorsetu 1, drugiej osi wzdłużnej 5b do pierwszej osi wzdłużnej 5a, osi poprzecznej 6 do drugiej osi wzdłużnej 5b wynosił odpowiednio 1 : 5 : 1 (3, 15, 3 cm). Zawiasy 2 zawierały łożyska magnetyczne złożone z podzespołów obrotowego 7 występującego między podzespołami stabilizującymi 8. Podzespół obrotowy 7 posiadał magnes pierścieniowy 9, natomiast podzespoły stabilizujące 8 posiadały magnesy pierścieniowe 10 oraz symetrycznie rozmieszczone magnesy oczkowe 11. Magnesy 9, 10 oraz 10, 11 usytuowano wzajemnie jednobiegunowo tak, aby poprzez siły odpychania uniemożliwić bezpośredni kontakt podzespołu obrotowego 6 z podzespołami sta

PL 238 628 B1 bilizującymi 7 (wyjątkowo magnesy oczkowe 11 były usytuowane wzajemnie przeciwniebiegunowo, jednak siła przyciągania magnesów 11 była znacznie mniejsza niż siła odpychania występująca między magnesami pierścieniowymi 9, 10). Elementy przymocowania 2 i nośne 3, oraz podzespoły 7, 8 łożysk wykonano metodą przyrostową (tzw. druku 3D) z polilaktydu stosując drukarkę Gaja 3D Multitool. Zastosowane w łożyskach magnesy 9, 10, 11 były neodymowe, przy czym magnes pierścieniowy 9 podzespołu obrotowego 7 miał wcięcia na komplementarne wypusty 12 tego podzespołu 7.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ obrotowy przyramienia egzoszkieletu pasywnego, mocowany korzystnie do gorsetu terapeutycznego (1), wyposażony w zawiasy (2) oraz element przymocowania (3) i elementy nośne (4) egzoszkieletu, przy czym układ ten posiada co najmniej dwie wzdłużne osie (5a, 5b) obrotu i co najmniej jedną ortogonalną do nich poprzeczną oś (6) obrotu elementów nośnych (4) egzoszkieletu, a zawiasy (2) umożliwiające obrót w tych osiach (5a, 5b, 6) wyposażone są w łożyska magnetyczne, znamienny tym, że łożyska magnetyczne złożone są z podzespołów obrotowego (7) występującego między podzespołami stabilizującymi (8), przy czy podzespół obrotowy (7) posiada magnes pierścieniowy (9), natomiast podzespoły stabilizujące (8) posiadają magnesy pierścieniowe (10) oraz symetrycznie rozmieszczone magnesy oczkowe (11), przy czym magnesy (9, 10, 11) usytuowane są tak, aby poprzez siły odpychania uniemożliwić bezpośredni kontakt podzespołu obrotowego (6) z podzespołami stabilizującymi (7).
2. 2. Układ według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że stosunek wzajemnych odległości (X1, Χ2, Χ3), kolejno pierwszej osi wzdłużnej (5a) do najbliższego punktu powierzchni (P) gorsetu (1), drugiej osi wzdłużnej (5b) do pierwszej osi wzdłużnej (5a), osi poprzecznej (6) do drugiej osi wzdłużnej (5b) wynosi, odpowiednio 1 : 5 : 1.
3. 3. Układ według zastrzeżenia 1 albo 2, znamienny tym, że elementy przymocowania (2) i nośne (3), oraz podzespoły (7, 8) łożysk wykonane są metodą tzw. druku 3D, korzystnie z tworzywa polimerowego, natomiast magnesy (9, 10, 11) są neodymowe, przy czym magnes pierścieniowy (9) podzespołu obrotowego (7) ma wcięcia na komplementarne wypusty (12) tego podzespołu (7) łożyska zawiasu (1).