PL239958B1 - Pasywny egzoszkielet - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest pasywny egzoszkielet umożliwiający poruszanie się osobom z częściową lub całkowitą niepełnosprawnością dolnej części ciała, pozwalający na wykonywanie kroków podobnych do tych w prawidłowym chodzie człowieka, przy czym poszczególne zespoły egzoszkieletu - zespół miednicowy (1), zespół udowy (2), zespół piszczelowy (3) i zespół stopowy (4) - są połączone w sposób umożliwiający ich wzajemne obracanie względem siebie, przy czym środki uruchamiające i blokujące ruch poszczególnych zespołów względem siebie zawierają siłowniki pneumatyczne.

Description

PL 239 958 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest pasywny egzoszkielet umożliwiający poruszanie się osobom z częściową lub całkowitą niepełnosprawnością dolnej części ciała, to jest od pasa w dół, pozwalający na wykonywanie kroków podobnych do tych w prawidłowym chodzie człowieka.

Znane są wszelkie dostępne rozwiązania urządzeń rehabilitacyjnych dla osób o ograniczonej lub kompletnie zanikłej możliwości poruszania dolnymi kończynami.

Znany jest bioniczny szkielet amerykańskiej firmy EKSO BIONIC „Egzoszkielet EKSO GT™”, mocowany bezpośrednio do nóg i pasa niepełnosprawnego użytkownika, który dzięki zasilaniu elektrycznemu i elektrycznym silnikom krokowym wykorzystywanych przez urządzenie, jest w stanie wykonywać ruchy wstawania z siadu, samego siadania, jak i również samego chodu. Wadą tego urządzenia jest zależność użytkownika od energii elektrycznej, wykorzystywanej do zasilania silników i jednostki obliczeniowej oraz wysoki koszt szkieletu.

Rozwiązanie według wynalazku całkowicie eliminuje problem zależności użytkowników od prądu elektrycznego. Wykonywany przez użytkownika chód asekurowany jest tylko i wyłącznie przez kule ortopedyczne oraz środki mechaniczne, w szczególności wykorzystujące właściwości powietrza o ciśnieniu wyższym niż atmosferyczne.

Istota pasywnego egzoszkieletu umożliwiającego chód według wynalazku polega na tym, że posiada on ramię na odcinku górnym, połączone z ramieniem odcinka dolnego mechanizmem obrotowym, posiadającym łożyska kulkowe, niwelujące większość oporów związanych z obrotem tej części w jednej osi, umożliwiającym prawidłową pracę stawu kolanowego. Do odcinka górnego przy stawie biodrowym przytwierdzone jest na wzmocnieniu miednicowym wydłużenie miednicowe, sięgające przed pas użytkownika. Do końca tego wydłużenia i górnej części urządzenia przytwierdzony jest mechanizm, zawierający sprężynę gazową ciągnącą, umożliwiający użytkownikowi egzoszkieletu chód. Zespół wszystkich tych elementów nosi nazwę mechanizmu obrotowego biodrowego. Do dalszego (względem górnej części urządzenia) końca dolnego ramienia egzoszkieletu przytwierdzona jest mechanizmem obrotowym część stopowa urządzenia. Do dwóch tych samych części przytwierdzony jest mechanizm blokujący staw skokowy, zawierający sprężynę gazową pchającą. Cały egzoszkielet przytwierdzony jest bezpośrednio do ciała użytkownika dzięki kilku mocowaniom.

Pasywny egzoszkielet umożliwiający chód według wynalazku składa się z mechanizmu zapewniającego poprawną motorykę nogi prawej, zawierającego siłowniki i s prężyny pneumatyczne, mechanizmu zapewniającego poprawną motorykę nogi lewej, zawierającego siłowniki i sprężyny pneumatyczne, pasów mocujących do ciała oraz głównego pasa miednicowego, utrzymującego poprawną pozycję i usztywnienie odcinka lędźwiowego kręgosłupa. Ruch poszczególnych partii egzoszkieletu jest zależny od woli użytkownika poprzez umieszczone na kulach ortopedycznych odpowiadające przełączniki, tj. przełącznik na kuli znajdującej się w lewej ręce użytkownika odpowiada za oddziaływanie mechanizmów tylko i wyłącznie części egzoszkieletu przymocowanej do lewej części dolnych partii ciała, analogicznie występuje to w przypadku kuli ortopedycznej znajdującej się w prawej ręce.

Egzoszkielet zawiera elementy wsporcze, takie jak ramiona, wydłużenia, pasy i wzmocnienia, środki zapewniające ruch elementów wsporczych względem siebie, takie jak połączone ze sobą obrotowo klucze oraz umieszczone pomiędzy nimi łożyska, oraz środki mocujące egzoszkielet do ciała użytkownika. Istotnymi elementami egzoszkieletu są środki uruchamiające i blokujące ruch elementów wsporczych względem siebie. Według wynalazku stosowane są siłowniki pneumatyczne i sprężyny powietrzne. W alternatywnej postaci wykonania wykorzystywane są inne środki uruchamiające i blokujące ruch elementów wsporczych względem siebie, takie jak sprężyny. Możliwe jest również wykorzystanie układów hydraulicznych.

Mechanizm obrotowy biodrowy, zawierający sprężynę gazową ciągnącą, pozwala na kumulowanie energii właśnie w tej sprężynie. Cały proces kumulowania energii w sprężynach gazowych oparty jest o wykorzystywanie naturalnie występującej siły ciężkości oraz siły mięśni rąk użytkownika, podpartych w tym przypadku kulami ortopedycznymi o podłoże, po którym użytkownik będzie się poruszał. Przenosząc ciężar ciała na którąkolwiek z nóg, pomagając przy tym kulami ortopedycznymi, następnie przechylając ciało do przodu, poprzez naciągnięcie tłoczyska w sprężynie gazowej, kumulowana jest energia, która zapewnia tej właśnie sprężynie siłę ciągnącą. Następnie przeniesienie ciężaru ciała na drugą z nóg, wspomagając kulami ortopedycznymi, następuje uwol

PL 239 958 B1 nienie energii skumulowanej w sprężynie, dzięki któremu występuje ruch stawu biodrowego identyczny do tego, który jest wykonywany podczas „półchodu” (połowy procesu cho du, tj. wykonaniu mchu chodzącego tylko jedną nogą, gdzie chód składa się z takich ruchów wykonywanych dwiema kończynami dolnymi) człowieka. Jest to możliwe dzięki mechanizmowi obrotowemu stawu biodrowego.

Wykonując te czynności na przemian dla obu nóg, uż ytkownik egzoszkieletu jest w stanie wykonywać ruch chodzący stawów biodrowych, umożliwiający przemieszczanie się.

Po przeniesieniu ciężaru ciała na jedną z nóg wszelkie siły związane z utrzymaniem ciała w pionie są związane bezpośrednio w sposób nieunikniony z dociskiem stopy użytkownika do części stopowej urządzenia, która zaś dociskana jest do podłoża, na którym znajduje się użytkownik egzoszkieletu. W tym momencie mechanizm blokujący staw skokowy blokuje wszelkie możliwie szkodliwe zgięcia dla stawu skokowego.

W ten sposób osoba niepełnosprawna jest w stanie zablokować zgięcie stawu skokowego w kącie odpowiednim dla poprawnie stawianej stopy prawidłowego chodu zdrowego człowieka. Zapewnia to odporność tegoż stawu na wszelkie urazy związane z nieprawidłowo zgiętą stopą w postaci nadmiernego zgięcia stopy ku górze.

Po zaprzestaniu przenoszenia ciężaru ciała na którąś z nóg, stopa zostaje odciążona od wszelkich sił działających na nią podczas tego procesu odwrotnego do opisanego. W tym przypadku mechanizm blokujący staw skokowy odblokowuje się, dzięki czemu staw skokowy odzyskuje możliwość zmiany swojego kąta w osi góra-dół.

Dzięki temu użytkownik jest w stanie oswobodzić staw skokowy z blokady, umożliwiając w ten sposób sile ciężkości manipulację kąta zgięcia tego stawu w osi góra-dół.

Prawidłowe zginanie stawów nogi użytkownika jest możliwe dzięki trzem mechanizmom obrotowym, zawierającym elementy, zwane kluczami, oraz łożyska kulkowe, poruszania stawów prawej nogi, tj. mechanizmu stawu biodrowego prawej nogi, mechanizmu stawu kolanowego prawej nogi i mechanizmu stawu skokowego prawej nogi oraz trzem takim samym mechanizmom (jak w przypadku nogi prawej) dla nogi lewej.

Dzięki mechanizmom obrotowym u użytkownika pozostają prawidłowo zachowane procesy zmiany kątów zgięcia stawów biodrowych, kolanowych i skokowych w osi góra -dół.

Po użyciu blokady przełącznika, znajdującego się na kuli ortopedycznej, następuje uniemożliwienie ruchu powietrza w zamkniętym jego obiegu, co z kolei powoduje zablokowanie się mechanizmu obrotowego, przytwierdzonego do stawu kolanowego, w pozycji ustalonej tuż przed całkowitym użyciem blokady przełącznika, dzięki czemu staw ten pozostaje w takim kącie zgięcia do momentu zwolnienia przełącznika, znajdującego się na kulach.

W ten sposób osoba niepełnosprawna jest w stanie zablokować swoją pozycję nóg w pozycji, w której wymaga określona sytuacja podczas użytkowania.

Po zwolnieniu blokady przełącznika, znajdującego się na kuli ortopedycznej, następuje uwolnienie wszelkich oporów dla ruchu powietrza w zamkniętym jego obiegu, co z kolei powoduje odblokowanie się mechanizmu obrotowego, przytwierdzonego do stawu kolanowego, dzięki czemu staw ten jest podatny na zgięcia w swojej osi obrotu.

W ten sposób użytkownik jest w stanie regulować kąt zgię cia stawu kolanowego.

Do wzmocnienia miednicowego, którego rzut górny odpowiada prostokątnemu trójkątowi równoramiennemu z uciętymi wierzchołkami, przymocowane są śrubami: część górna egzoszkieletu oraz wydłużenie miednicowe, w sposób taki, iż obie z tych części pokrywają się z ramionami trójkąta wzmocnienia biodrowego.

Dzięki temu górna część egzoszkieletu oraz wydłużenie miednicowe są w sposób stabilny i bezpieczny połączone ze sobą.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono w przykładzie wykonania na rysunku na którym:

Fig. 1 przedstawia egzoszkielet w widoku perspektywicznym wraz z kulami ortopedycznymi, którego obie „nogi” oraz kule ortopedyczne spoczywają na podłożu;

Fig. 2 przedstawia egzoszkielet w widoku z boku, którego mechanizm obrotowy kolanowy jest zgięty prawidłowo o 25 stopni, mechanizm obrotowy biodrowy jest zgięty w przód 25 stopni;

Fig. 3 przedstawia zespół miednicowy urządzenia z wyszczególnionymi wszystkimi jego elementami;

PL 239 958 B1

Fig. 4 przedstawia zespół udowy wynalazku z wyszczególnionymi wszystkimi jego ele- mentami;

Fig. 5 przedstawia zespół piszczelowy egzoszkieletu z wyszczególnionymi wszystkimi jego elementami;

Fig. 6 przedstawia zespół stopowy urządzenia z wyszczególnionymi wszystkimi jego elementami.

Pasywny egzoszkielet umożliwiający chód osobom z niepełnosprawnościami dolnych partii ciała składa się: z zespołu miednicowego (1), który zbudowany jest z pasa miednicowego (5), sprężyny gazowej ciągnącej (8), wydłużenia miednicowego (12), wzmocnienia miednicowego (13), śrub mocujących (14), klucza dużego (16) oraz łożyska kulkowego (17), z zespołu udowego (2), w którego skład wchodzi pas (6) na nogach, siłownik pneumatyczny kolanowy (9), śruby mocujące (14), klucza małego (15), klucza dużego (16) wraz z łożyskiem kulkowym (17) oraz ramienia udowego (18), z zespołu łydkowego (3), składającego się ze śrub mocujących (14), klucza małego (15), klucza dużego (16) wraz z łożyskiem (17) oraz ramienia piszczelowego (19) oraz z zespołu stopowego (4), zawierającego siłownik kostkowy pchający (10), śrub mocują cych (14), wzmocnienia kostkowego (20), części zewnętrznej elementu stopowego (21), części wewnętrznej elementu stopowego (22) oraz pasów stopowych (23).

Zespół miednicowy (1) zbudowany jest w ten sposób, że wydłużenie miednicowe (12) jest połączone za pomocą śrub mocujących (14) ze wzmocnieniem miednicowym (13). Prostopadle do wydłużenia miednicowego (12), również zamocowany do wzmocnienia miednicowego (13) poprzez śruby mocujące (14), znajduje się mechanizm obrotowy biodrowy, składający się z kluczów małych (15), kluczów dużych (16) wraz z łożyskiem (17) oraz sprężyny gazowej ciągnącej (8). Sprężyna gazowa ciągnąca (8) połączona jest za pomocą śrub mocujących (14) do górnej części zespołu udowego (2) - do górnej części ramienia udowego (18) oraz do wydłuże nia miednicowego (12). Do wzmocnienia miednicowego (13) przymocowany jest pas miednicowy (5), który łączy jedną część egzoszkieletu znajdującą się przy jednej nodze, z tą, znajdującą się przy drugiej nodze.

Zespół udowy (2) połączony jest z zespołem miednicowym (1) dzięki kluczom małym (15), kluczom dużym (16) wraz z łożyskiem (17), które przytwierdzone są do wzmocnienia miednicowego (13) za pomocą śrub mocujących (14). Klucze małe (15) przymocowane są za pomocą śrub mocujących (14) do górnej części ramienia udowego (18). Na 1/2 długości ramienia udowego (18) znajdują się pasy (6), które przytwierdzają zespół udowy (2) do nogi użytkownika. W 2/3 długości (względem górnej części urządzenia) ramienia udowego (18) znajduję się jedno z dwóch mocowań siłownika pneumatycznego kolanowego (9), z którym połączony jest przełącznik (24), znajdujący się na kuli ortopedycznej (7). Do dolnej części zespołu udowego (2) przytwierdzone jest ramieniem udowym (18), za pomocą kluczy małych (15) oraz kluczy dużych (16) z blokadą wraz z łożyskami (17), ramię piszczelowe (19), które stanowi część zespołu piszczelowego (3).

Zespół piszczelowy (3) zawiera ramię piszczelowego (19), na którego 1/3 długości (względem górnej części urządzenia) znajduje się drugie z mocowań siłownika pneu matycznego kolanowego (9). Na górnej jak i na dolnej części ramienia piszczelowego (19) znajdują się pasy (6), które przytwierdzają zespół piszczelowy (3) do nogi użytkownika. W 2/3 długości (względem górnej części urządzenia) ramienia piszczelowego (19) znajduję się jedno z dwóch mocowań siłownika kostkowego pchającego (10). Do dolnej części zespołu piszczelowego (3) przytwierdzone jest ramieniem piszczelowym (19), za pomocą kluczy małych (15) oraz kluczy dużych (16) z blokadą wraz z łożyskami (17), wzmocnienie kostkowe (20), które jest jednym z elementów zespołu stopowego (4).

Zespół stopowy (4) zawiera wzmocnienie kostkowe (20), które przytwierdzone jest do ramienia piszczelowego (19) - elementu zespołu piszczelowego (3), za pomocą kluczy małych (15) oraz kluczy dużych (16) z blokadą wraz z łożyskami (17). Do wzmocnienia kostkowego (20) przytwierdzona jest, za pomocą śrub mocujących (14), część zewnętrza elementu stopowego (21). W 3/5 długości (mierząc od prawej strony Fig. 6) zewnętrznej części elementu s topowego (21) znajduje się drugie z mocowań siłownika kostkowego pchającego (10). Po obu stronach zewnętrznej części elementu stopowego (21) znajdują się wewnętrzne pasy (23), przytwierdzające zespół stopowy (4) do stopy użytkownika. W środku zewnętrznej części elementu stopowego (21) znajduje się, przytwierdzona śrubami mocującymi (14), wewnętrzna część elementu stopowego (22), na której będzie spoczywała stopa użytkownika.

Claims (6)

1. PL 239 958 B1

   Zastrzeżenia patentowe

   1. Pasywny egzoszkielet umożliwiający chód osobom z niepełnosprawnościami dolnych partii ciała zawierający elementy wsporcze, środki uruchamiające i blokujące ruch elementów wsporczych względem siebie oraz środki mocujące egzoszkielet do ciała użytkownika, znamienny tym, że zawiera zespół miednicowy (1), przy czym zespół miednicowy zawiera środki mocujące (5) egzoszkielet do miednicy użytkownika zespół udowy (2) połączony z zespołem miednicowym (2) przez obrotowy mechanizm biodrowy zawierający połączone ze sobą obrotowo klucz mały (15) i klucz duży (16) oraz łożysko (17) umieszczone między kluczem małym (15) a kluczem dużym (16) obrotowego mechanizmu biodrowego, przy czym zespół udowy (2) zawiera środki mocujące (6) egzoszkielet do uda użytkownika, siłownik pneumatyczny (8) połączony jednym końcem z zespołem miednicowym (1) a drugim końcem z zespołem udowym (2) do obracania i blokowania obrotowego mechanizmu biodrowego, zespół piszczelowy (3) połączony z zespołem udowym (2) po przeciwnej stronie tego zespołu udowego (2) względem zespołu miednicowego (1) przez obrotowy mechanizm kolanowy zawierający połączone ze sobą obrotowo klucz mały (15) i klucze duży (16) oraz łożysko (17) umieszczone między kluczem małym (15) a kluczem dużym (16) obrotowego mechanizmu kolanowego, przy czym zespół piszczelowy (3) zawiera środki mocujące (6) egzoszkielet do podudzia użytkownika, siłownik pneumatyczny (9) połączony jednym końcem z zespołem udowym (2) a drugim końcem z zespołem piszczelowym (3) do obracania i blokowania obrotowego mechanizmu kolanowego, zespół stopowy (4) połączony z zespołem piszczelowym (3) po przeciwnej stronie tego zespołu piszczelowego (3) względem zespołu udowego (2), przez ruchome wzmocnienie kostkowe (20) zawierające połączone ze sobą obrotowo klucz mały (15) i klucz duży (16) oraz łożysko (17) umieszczone znajdujące się między kluczem małym (15) a kluczem dużym (16) ruchomego wzmocnienia kostkowego, przy czym zespół stopowy (4) zawiera środki mocujące (22) egzoszkielet do stopy użytkownika, oraz siłownik pneumatyczny (10) połączony jednym końcem z zespołem piszczelowym (3) a drugim końcem z zespołem stopowym (4) do umożliwienia obracania i blokowania ruchomego wzmocnienia kostkowego.
2. 2. Pasywny egzoszkielet według zastrz. 1, znamienny tym, że siłownik pneumatyczny (8, 9, 10) stanowi sprężyna powietrzna.
3. 3. Pasywny egzoszkielet według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że środki mocujące (5, 6, 23) stanowią pasy spinane sprzączkami zaciskowymi i/albo pas miednicowy, na którym opiera się górna część ciała użytkownika.
4. 4. Pasywny egzoszkielet według któregokolwiek z zastrz. 1 do 3, znamienny tym, że siłownik pneumatyczny (8, 9, 10) jest zamontowany na głowicach obrotowych, zamontowanych na śrubach mocujących (14), przymocowanych na sztywno do ramion odpowiadających zespołów, co umożliwia swobodny ruch siłownika (8, 9, 10).
5. 5. Pasywny egzoszkielet według któregokolwiek z zastrz. 1 do 4, znamienny tym, że połączone kolejno ze sobą zespół udowy (2), piszczelowy (3) i stopowy (4), które są połączone z zespołem miednicowym (1) przez zespół udowy dla jednej z kończyn dolnych użytkownika jest odbiciem lustrzanym analogicznych zespołów dla drugiej kończyny.
6. 6. Pasywny egzoszkielet według któregokolwiek z zastrz. 1 do 5, znamienny tym, że ciężar egzoszkieletu i ciężar użytkownika opiera się na wzmocnieniu kostkowym (20) wspartym na podłożu.