RU156507U1

RU156507U1 - Экзоскелет нижних конечностей

Info

Publication number: RU156507U1
Application number: RU2015107323/12U
Authority: RU
Inventors: Петр Анатольевич Безмен; Сергей Федорович Яцун; Андрей Сергеевич Яцун
Priority date: 2015-03-04
Filing date: 2015-03-04
Publication date: 2015-11-10

Abstract

Экзоскелет нижних конечностей, состоящий из каркаса с элементами крепления к туловищу, двух пар тазобедренных и голеностопных рычагов, шарнирно соединенных между собой каркасом и опорами стоп, притом рычаги выполнены в виде пространственных оболочек, размещаемых на передних частях бедер и голеней с возможностью фиксации поддерживающими элементами, отличающийся тем, что каркас выполнен в виде цельного корсета, который фиксируется поясом на теле человека и имеет два электромеханических сервопривода, корпусы которых жестко закреплены на передней нижней части цельного корсета и обеспечивают движение каждого тазобедренного сустава во фронтальной плоскости, при этом выходные валы этих сервоприводов жестко соединены со звеньями, связанными при помощи цилиндрических шарниров с ползунами, которые могут возвратно-поступательно перемещаться вдоль пазов набедренных кронштейнов, связанных с цельным корсетом посредством цилиндрических шарниров и расположенных напротив тазобедренных суставов с внешних сторон бедер, при этом в центре каждого из двух набедренных кронштейнов жестко закреплено по одному корпусу электромеханических сервоприводов, которые обеспечивают движение тазобедренных суставов в сагиттальной плоскости, при этом выходные валы этих сервоприводов напротив тазобедренных суставов с внешних сторон бедер жестко соединены с верхними частями тазобедренных рычагов, притом тазобедренные рычаги имеют встроенные датчики импульсов мускулатуры таза и бедер, роль которых играют емкостные акселерометры, расположенные на внутренней, обращенной к нижним конечностям поверхности тазобедренных рычаго

Description

МПК A62B 99/00

ЭКЗОСКЕЛЕТ НИЖНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ

Полезная модель относится к устройствам для удовлетворения жизненных потребностей человека и может быть использована в туризме, при проведении спасательных и армейских операций.

Известен пассивный грузовой экзоскелетон, коленный шарнир пассивного грузового экзоскелетона, компенсатор пассивного грузового экзоскелетона (патент РФ №2362598 С2 МПК A62 В 99/00, А61 H 3/00, 2009 г.), состоящий из каркаса с элементами крепления к туловищу, двух пар тазобедренных и голеностопных рычагов, соединенных между собой посредством коленных шарниров с элементами фиксации и шарнирно связанных свободными концами с каркасом и опорами стоп. При этом каркас выполнен в виде двухчастного корсета с укрепленными на нем продольными направляющими, переходящими с передней на заднюю часть корсета. Соединение рычагов с каркасом осуществляется посредством компенсатора, установленного с возможностью перемещения по направляющим при изменении угла между каркасом и тазобедренным рычагом. Рычаги выполнены в виде пространственных оболочек, размещаемых с возможностью фиксации на передней части бедра и голени элементами крепления. Элемент крепления к опорам стоп выполнен в виде шарнирного узла, фиксируемого на обуви с возможностью поворота стопы вокруг трех осей координат.

Недостатком данного устройства является то, что для осуществления процесса ходьбы, используя экзоскелетон, человек должен прикладывать усилия для перемещения своих нижних конечностей.

Задача полезной модели: усовершенствование устройства с целью увеличения его эргономичности путем обеспечения процесса ходьбы без использования усилий мышц нижних конечностей человека. Это достигается благодаря использованию в составе устройства четырех пар электромеханических сервоприводов, блока аккумуляторов и датчиков импульсов мускулатуры нижних конечностей, реализуя, тем самым, без участия усилий человека возможность движения в суставах нижних конечностей: тазобедренном (во фронтальной и сагиттальной плоскостях), коленном, голеностопном (в сагиттальной плоскости) суставах.

Задача решается тем, что устройство - экзоскелет нижних конечностей (фиг. 1) содержит: цельный корсет 1; пояс 2; электромеханические сервоприводы 3, обеспечивающие движение каждого тазобедренного сустава во фронтальной плоскости; звенья 4; цилиндрические шарниры 5; ползуны 6; цилиндрические шарниры 7; набедренные кронштейны 8; электромеханические сервоприводы 9, обеспечивающие движение каждого тазобедренного сустава в сагиттальной плоскости; тазобедренные рычаги со встроенными датчиками импульсов мускулатуры таза и бедер 10; поддерживающие элементы бедра 11; электромеханические сервоприводы 12, обеспечивающие движение каждого коленного сустава; цилиндрические шарниры 13; голеностопные рычаги со встроенными датчиками импульсов мускулатуры голени 14; поддерживающие элементы голени 15; цилиндрические шарниры 16; вилки 17; электромеханические сервоприводы 18, обеспечивающие движение каждого голеностопного сустава в сагиттальной плоскости; цилиндрические шарниры 19; интегрированная обувь 20; ранец 21 с полезной нагрузкой, электронным блоком управления устройством и блоком аккумуляторов, обеспечивающим электропитание всего устройства; внешний соединительный кабель 22.

Цельный корсет 1 имеет вырезы для головы и для рук, чтобы обеспечить установку устройства на теле человека. Ранец 21 одевается посредством плечевых ремней на цельный корсет 1 после фиксации корсета на теле человека, используя пояс 2.

Поддерживающие элементы бедра 11 и поддерживающие элементы голени 15 посредством ремней крепятся к тазобедренным рычагам 10 и голеностопных рычагам 14 соответственно. Таким образом, нижние конечности надежно фиксируются между рычагами и поддерживающими элементами (фиг. 1).

Составные части экзоскелета связаны между собой электрически посредством кабелей, размещенных внутри них.

Все сервоприводы экзоскелета нижних конечностей являются реверсивными приводами вращательного движения. Для вращения валов сервоприводов в направлении движения часовой стрелки на электродвигатели сервоприводов поступает положительное напряжение питания, для вращения валов сервоприводов в направлении, обратном движению часовой стрелки, на электродвигатели сервоприводов поступает отрицательное напряжение питания (инверсное положительному напряжению). Каждый сервопривод экзоскелета нижних конечностей снабжен датчиком угла поворота выходного вала, тем самым реализуя обратную связь сервопривода с электронным блоком управления, размещенном в ранце 21.

Сервоприводы экзоскелета нижних конечностей управляются посредством сигналов, поступающих от датчиков импульсов мускулатуры - емкостных акселерометров, размещенных в тазобедренных 10 и голеностопных 14 рычагах. Тазобедренные и голеностопные рычаги выполнены в виде пространственных C-образных оболочек, размещаемых с возможностью фиксации на передней части бедра и голени поддерживающими элементами бедра 11 и поддерживающими элементами голени 15 соответственно. Рычаги и сервоприводы зеркально расположены относительно вертикальной оси симметрии (фиг. 1). Благодаря наличию поддерживающих элементов бедра 11 и элементов голени 15 (фиг. 1), тазобедренные и голеностопные рычаги плотно облегают бедра и голени нижних конечностей, позволяя, таким образом, датчикам импульсов мускулатуры регистрировать импульсы мускулатуры человека в области таза, бедер и голени. Датчики импульсов мускулатуры расположены на внутренней, обращенной к нижним конечностям, поверхности тазобедренных и голеностопных рычагов. Для регистрации импульсов мускулатуры в областях таза и бедер используются датчики, расположенные в тазобедренных рычагах 10, для регистрации импульсов мускулатуры в областях голеней применяются датчики, размещенные в голеностопных рычагах 14. Сигналы с датчиков поступают на электронный блок управления, размещенный вместе с блоком аккумуляторов в ранце 21. Электронный блок управления формирует команды управления каждым электромеханическим сервоприводом устройства. Датчики импульсов мускулатуры, датчики углов поворота выходных валов сервоприводов и электромеханические сервоприводы подключаются к ранцу 21 посредством внешнего соединительного кабеля 22.

Корпусы сервоприводов 3 жестко и симметрично относительно вертикальной оси симметрии закреплены на нижней части цельного корсета 1 (фиг. 1). Каждый из двух корпусов сервоприводов 9 жестко закреплен в центре соответствующего набедренного кронштейна 8 (фиг. 1) и расположен напротив тазобедренных суставов с внешних сторон бедер. При этом положение корпуса сервопривода 9 задается углом поворота выходного вала сервопривода 3, т.к. выходной вал сервопривода 3 жестко связан со звеньями 4, которые, в свою очередь, соединены посредством цилиндрических шарниров 5 с ползунами 6, каждый из которых может возвратно-поступательно перемещаться вдоль паза набедренного кронштейна 8, тем самым задавая определенное положение кронштейна 8 относительно цельного корсета 1, т.к. каждый кронштейн 8 соединен с цельным корсетом 1 посредством цилиндрических шарниров 7 (фиг. 1). Таким образом, набедренные кронштейны 8 с жестко закрепленными на них сервоприводами 9 имеют возможность совершать качательные движения относительно цельного корсета 1. Сервоприводы 3 позволяют отведение/приведение тазобедренных суставов на угол до 30 градусов (фиг. 1). Сервоприводы 9 делают возможными сгибание/разгибание тазобедренных суставов под углом до 45 градусов (фиг. 1).

Выходные валы сервоприводов 9 жестко соединены с верхними частями тазобедренных рычагов 10 напротив тазобедренных суставов с внешних сторон бедер. В свою очередь, корпусы сервоприводов 12 жестко закреплены на нижних частях тазобедренных рычагов 10 напротив коленных суставов с внешних сторон бедер. Выходные валы сервоприводов 12 жестко соединены с верхними частями голеностопных рычагов 14 напротив коленных суставов с внешних сторон бедер. Цилиндрические шарниры 13 соединяют тазобедренные рычаги 10 с голеностопными рычагами 14 напротив коленных суставов с внутренних сторон бедер. Сервоприводы 12 и цилиндрические шарниры 13 позволяют осуществить сгибание/разгибание коленных суставов на угол до 120 градусов (фиг. 1).

Нижние части голеностопных рычагов 14 посредством цилиндрических шарниров 16 соединены с центральными частями вилок 17. В свою очередь, в нижней части каждой вилки 17 напротив голеностопного сустава с внешней стороны голени жестко закреплен корпус сервопривода 18. Соединение голеностопных рычагов 14 и вилок 17 посредством цилиндрических шарниров 16 обеспечивает возможность супинации/пронации голеностопных суставов. Выходные валы сервоприводов 18 жестко соединены с интегрированной обувью 20 напротив голеностопного сустава с внешней стороны голени. Цилиндрические шарниры 19 соединяют нижние части каждой вилки 17 напротив голеностопных суставов с внутренних сторон голеней с интегрированной обувью 20. Сервоприводы 18 и цилиндрические шарниры 19 позволяют осуществить изменение положения интегрированной обуви 20 путем поворота выходного вала сервопривода 18. При изменении положения интегрированной обуви 20 относительно вилок 17 происходит тыльное/подошвенное сгибание голеностопного сустава на угол до 60 градусов (фиг. 1).

Устройство работает следующим образом.

Цельный корсет 1 устройства устанавливается сверху на плечи человека и фиксируется сзади поясом 2, при этом руки пропускаются в боковые отверстия корсета 1, а голова - в его верхнее отверстие (фиг. 1). Бедра и голени нижних конечностей устанавливаются в тазобедренные рычаги 10 и голеностопные рычаги 14 и фиксируются сзади поддерживающими элементами 11 бедра и поддерживающими элементами 15 голени соответственно. Затем, на корсет 1 одевается ранец 21 при помощи его плечевых ремней. Далее электронный блок управления, размещенный в ранце 21 соединяется с корсетом 1 посредством внешнего соединительного кабеля 22. Для регистрации импульсов мускулатуры в областях таза и бедер используются датчики, расположенные в тазобедренных рычагах 10, для регистрации импульсов мускулатуры в областях голеней применяются датчики, размещенные в голеностопных рычагах 14. При возникновении импульсов мускулатуры датчики регистрируют их, затем сигналы с датчиков поступают на электронный блок управления, размещенный вместе с блоком аккумуляторов в ранце 21. Далее электронный блок управления формирует команды управления каждым электромеханическим сервоприводом экзоскелета. Путем периодического изменения положений выходных валов каждого сервопривода осуществляется процесс ходьбы с использованием экзоскелета нижних конечностей.

Максимальный эффект от применения экзоскелета достигается при ходьбе по горизонтальной и наклонной поверхностям.

Данное устройство будет полезно:

1) вооруженным силам - помимо снаряжения, которое должен носить солдат, на экзоскелет можно навесить дополнительную бронезащиту;

2) МЧС - перенос пострадавших в условиях, где затруднено использование носилок, перенос грузов. В экзоскелете можно (в случае необходимости) часами висеть на веревке (кровеносные сосуды и мышцы не передавливаются).

Claims

Экзоскелет нижних конечностей, состоящий из каркаса с элементами крепления к туловищу, двух пар тазобедренных и голеностопных рычагов, шарнирно соединенных между собой каркасом и опорами стоп, притом рычаги выполнены в виде пространственных оболочек, размещаемых на передних частях бедер и голеней с возможностью фиксации поддерживающими элементами, отличающийся тем, что каркас выполнен в виде цельного корсета, который фиксируется поясом на теле человека и имеет два электромеханических сервопривода, корпусы которых жестко закреплены на передней нижней части цельного корсета и обеспечивают движение каждого тазобедренного сустава во фронтальной плоскости, при этом выходные валы этих сервоприводов жестко соединены со звеньями, связанными при помощи цилиндрических шарниров с ползунами, которые могут возвратно-поступательно перемещаться вдоль пазов набедренных кронштейнов, связанных с цельным корсетом посредством цилиндрических шарниров и расположенных напротив тазобедренных суставов с внешних сторон бедер, при этом в центре каждого из двух набедренных кронштейнов жестко закреплено по одному корпусу электромеханических сервоприводов, которые обеспечивают движение тазобедренных суставов в сагиттальной плоскости, при этом выходные валы этих сервоприводов напротив тазобедренных суставов с внешних сторон бедер жестко соединены с верхними частями тазобедренных рычагов, притом тазобедренные рычаги имеют встроенные датчики импульсов мускулатуры таза и бедер, роль которых играют емкостные акселерометры, расположенные на внутренней, обращенной к нижним конечностям поверхности тазобедренных рычагов, при этом каждый тазобедренный рычаг фиксируется на бедре нижней конечности посредством поддерживающего элемента бедра, к тому же на нижней части каждого тазобедренного рычага напротив коленных суставов с внешних сторон бедер жестко закреплено по одному корпусу электромеханических сервоприводов, обеспечивающих движение коленных суставов, при этом выходные валы этих сервоприводов напротив коленных суставов с внешних сторон бедер жестко соединены с верхними частями голеностопных рычагов, при этом голеностопные рычаги имеют встроенные датчики импульсов мускулатуры голеней, роль которых играют емкостные акселерометры, расположенные на внутренней, обращенной к нижним конечностям поверхности голеностопных рычагов, вместе с тем каждый голеностопный рычаг фиксируется на голени нижней конечности посредством поддерживающего элемента голени, в дополнение к этому, нижние части тазобедренных рычагов и верхние части голеностопных рычагов соединены посредством цилиндрических шарниров напротив коленных суставов с внутренних сторон бедер, при этом нижние части голеностопных рычагов соединены при помощи цилиндрических шарниров с центральными частями вилок, в нижних частях каждой из которых напротив голеностопного сустава с внешней стороны голени жестко закреплено по одному корпусу электромеханических сервоприводов, обеспечивающих движение каждого голеностопного сустава в сагиттальной плоскости, при этом выходные валы этих сервоприводов жестко соединены напротив голеностопных суставов с внешней стороны голеней с интегрированной обувью, кроме этого, нижние части вилок напротив голеностопных суставов с внутренних сторон голеней и интегрированная обувь соединены посредством цилиндрических шарниров, ко всему прочему на цельный корсет при помощи плечевых ремней надевается ранец с полезной нагрузкой, электронным блоком управления экзоскелетом и блоком аккумуляторов, обеспечивающим электропитание всего устройства, при этом ранец с цельным корсетом электрически соединен посредством внешнего кабеля, а все остальные составные части экзоскелета связаны между собой электрически посредством кабелей, размещенных внутри них.