RU198903U1

RU198903U1 - Exoskeleton

Info

Publication number: RU198903U1
Application number: RU2020108222U
Authority: RU
Inventors: Сергей Федорович Яцун; Андрей Сергеевич Яцун; Сергей Александрович Радьков; Андрей Васильевич Мальчиков; Левон Хачатурович Киракосян
Original assignee: ООО "Экзомед"
Priority date: 2020-02-26
Filing date: 2020-02-26
Publication date: 2020-07-31

Abstract

Использование полезной модели: в устройствах, облегчающим перемещение грузов при помощи ручного труда и предназначенных для усиления физических возможностей человека, может быть использована в быту и на производстве, например, при проведении погрузочно-разгрузочных работ, а также для транспортировки тяжелых грузов.Задача - повышение работоспособности оператора.Сущность изобретения - экзоскелет состоит из следующих модулей: силовой модуль, включающий в себя спинной каркас 1, соединяемый с помощью шарнира 2 с бедром 3, которое, в свою очередь, соединено шарнирно через шарнир 4 с голенным звеном 5, шарнирно соединенным со стопой 6; модуль крепления, включающий в себя спинной каркас 1, присоединяемый с помощью грудных фиксирующих креплений 7 и креплений поясничного отдела 8 к корпусу оператора 9; модуль подъема груза, включающий в себя корпус 10, присоединяемый с помощью ремней к спинному каркасу 1(внутри корпуса 10 установлен привод для подъема, опускания и фиксирования переносимых грузов) и систему размещения грузов, включающую в себя тросы 11, расположенные внутри направляющих 12, установленных на спинном каркасе 1. Привод для подъема, опускания и фиксирования переносимых грузов состоит из следующих основных элементов: адаптивной системы управления 15, включающей микропроцессорное устройство, систему управления питанием, периферийные устройства и элементы измерительного тракта (фильтры, регуляторы уровня сигнала и т. д.); привода, включающего в себя двигатель 16 и редуктор 17, кинематически связанные с барабаном 18. Привод электрически связан с адаптивной системой управления 15. При этом основная задача, решаемая адаптивной системой управления 15, - обеспечение постоянной скорости вращения барабана 18 с переменным весом поднятого груза 14.Положительный эффект - использование предлагаемого экзоскелета позволяет увеличить эффективность его работы при переноске грузов за счет снижения усилий, затрачиваемых на такую переноску, а также увеличение физических возможностей человека. 5 ил.Use of the utility model: in devices that facilitate the movement of goods using manual labor and designed to enhance the physical capabilities of a person, it can be used in everyday life and at work, for example, when carrying out loading and unloading operations, as well as for transporting heavy loads. The essence of the invention - the exoskeleton consists of the following modules: a power module, which includes a dorsal frame 1, connected by means of a hinge 2 with a thigh 3, which, in turn, is hinged through a hinge 4 with a shin link 5, hingedly connected to foot 6; an attachment module that includes a dorsal frame 1 attachable using chest fixing attachments 7 and lumbar attachments 8 to the operator's body 9; a load lifting module, including a body 10, connected by belts to the back frame 1 (a drive is installed inside the body 10 for lifting, lowering and fixing the carried loads) and a system for placing loads, including cables 11 located inside the guides 12 installed on the back frame 1. The drive for lifting, lowering and fixing the carried loads consists of the following main elements: an adaptive control system 15, including a microprocessor device, a power management system, peripheral devices and elements of the measuring path (filters, signal level regulators, etc.). ); drive, which includes a motor 16 and a gearbox 17, kinematically connected to the drum 18. The drive is electrically connected to the adaptive control system 15. In this case, the main task solved by the adaptive control system 15 is to ensure a constant rotation speed of the drum 18 with a variable weight of the lifted load 14 .Positive effect - the use of the proposed exoskeleton allows to increase the efficiency of its work when carrying loads by reducing the effort spent on such carrying, as well as increasing the physical capabilities of a person. 5 ill.

Description

Полезная модель относится к устройствам, облегчающим перемещение грузов при помощи ручного труда и предназначенным для усиления физических возможностей человека, может быть использована в быту и на производстве, например, при проведении погрузочно-разгрузочных работ, а также для транспортировки тяжелых грузов.The utility model refers to devices that facilitate the movement of goods using manual labor and designed to enhance the physical capabilities of a person, can be used in everyday life and at work, for example, when carrying out loading and unloading operations, as well as for transporting heavy loads.

Известен экзоскелет пассивный для облегчения перемещения человеком груза, состоящий из стоп, выполненных в виде стремя-подобных узлов с возможностью передачи нагрузки от груза опорной поверхности, голеней, выполненных в виде регулируемых по длине рычагов, связывающих узлы стоп и коленей, при этом колени выполнены в виде скоб с горизонтальной, поперечной осью вращения, связи узлов голеней и бедер и содержат настройку под Х-образность ног, стяжек на голенях, охватывающих голени человека, при этом бедра выполнены в виде регулируемых по длине рычагов, связывающих узлы коленей и пояса, при этом пояс выполнен в виде коромыслообразной детали, подобной тазовым костям человека, с двух сторон которой крепится бедренные рычаги, а посередине - рессора спины в виде плоской балки прямоугольного сечения, передающей нагрузку от плечей и грузового крюка к поясу, при этом плечи выполнены в виде пространственных деталей, по форме напоминающих отложенный ворот шубы и воспринимающих нагрузку от положенного на плечи груза и передающих нагрузку на спинную рессору, при этом крюк грузовой выполнен с функцией сброса груза и возможностью крепления грузов с помощью подвеса из системы ремней и передачи нагрузки от веса груза на спинную рессору (см. патент на полезную модель № 189468, БИ № 15, 2019).A passive exoskeleton is known to facilitate the movement of a person's load, consisting of feet made in the form of stirrup-like nodes with the ability to transfer the load from the load of the supporting surface, legs made in the form of length-adjustable levers connecting the nodes of the feet and knees, while the knees are made in in the form of braces with a horizontal, transverse axis of rotation, connections of the knots of the legs and thighs and contain adjustment for the X-shape of the legs, ties on the legs, covering the lower legs of a person, while the thighs are made in the form of length-adjustable levers connecting the knots of the knees and belt, while the belt is made in the form of a rocker-like part, similar to the pelvic bones of a person, on both sides of which the femoral levers are attached, and in the middle there is a back spring in the form of a flat rectangular beam that transfers the load from the shoulders and load hook to the belt, while the shoulders are made in the form of spatial parts resembling a deferred collar of a fur coat and taking the load from the put on the shoulders of the load and transmitting the load to the back spring, while the load hook is made with the function of dumping the load and the possibility of securing loads using a suspension from the belt system and transferring the load from the weight of the load to the back spring (see. utility model patent No. 189468, BI No. 15, 2019).

Недостатком данного устройства является то, что оно имеет сложную конструкцию и жесткий каркас, кроме этого отсутствует система крепления грузов к каркасу, что позволяет крепить груз только на крюке, установленном на спинной рессоре, при этом вся нагрузка от переносимого груза передается на спину оператора, что увеличивает нагрузку на поясничный отдел позвоночника и существенно влияет на работоспособность оператора.The disadvantage of this device is that it has a complex structure and a rigid frame; in addition, there is no system for securing loads to the frame, which allows the load to be fastened only on a hook mounted on the back spring, while all the load from the carried load is transferred to the operator's back, which increases the load on the lumbar spine and significantly affects the operator's performance.

Задача полезной модели – повышение работоспособности оператора.The task of the utility model is to improve the operator's efficiency.

Поставленная задача решается тем, что экзоскелет состоит из функционально соединенных между собой силового модуля, модуля крепления и модуля подъема груза, причем силовой модуль включает в себя спинной каркас, соединяемый с помощью шарнира с бедром, которое, в свою очередь, соединено шарнирно с голенным звеном, шарнирно соединенным со стопой, причем спинной каркас присоединяется с помощью грудных фиксирующих креплений и креплений поясничного отдела к корпусу оператора, при этом модуль подъема груза включает в себя корпус, присоединяемый с помощью ремней к спинному каркасу, и систему размещения грузов, включающую в себя тросы, расположенные внутри направляющих, установленных на спинном каркасе, причем на нижних свободных концах тросов установлены крючки для закрепления груза, при этом внутри корпуса модуля подъема груза установлен привод для подъема, опускания и фиксирования переносимых грузов, который состоит из адаптивной системы управления и привода, включающего в себя двигатель и редуктор, причем адаптивная система управления включает в себя микропроцессорное устройство, систему управления питанием, периферийные устройства и элементы измерительного тракта, а двигатель и редуктор привода кинематически связаны с барабаном, на который намотаны верхние концы тросов, причем на валу барабана установлен датчик угла поворота, причем привод электрически связан с адаптивной системой управления, которая выполнена с возможностью обеспечение постоянной скорости вращения барабана, причем бедренное и голенное звенья снабжены устройствами для регулировки длины с целью подгонки под антропометрические параметры оператора.The problem is solved by the fact that the exoskeleton consists of a power module, an attachment module and a load lifting module, which are functionally interconnected, and the power module includes a dorsal frame connected by means of a hinge to the thigh, which, in turn, is hinged to the shin link , pivotally connected to the foot, and the back frame is attached using chest fixing and lumbar mounts to the operator's body, while the load lifting module includes a body that is attached to the back frame using belts, and a load placement system that includes cables , located inside the guides installed on the back frame, and hooks are installed on the lower free ends of the cables to secure the load, while inside the body of the load lifting module there is a drive for lifting, lowering and fixing the carried loads, which consists of an adaptive control system and a drive that includes the engine and a gearbox, wherein the adaptive control system includes a microprocessor device, a power control system, peripheral devices and elements of the measuring path, and the motor and the drive gearbox are kinematically connected to the drum on which the upper ends of the cables are wound, and a rotation angle sensor is installed on the drum shaft, moreover, the drive is electrically connected to an adaptive control system, which is configured to provide a constant speed of rotation of the drum, and the femoral and lower leg links are equipped with devices for adjusting the length in order to adapt to the anthropometric parameters of the operator.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что оно состоит из функционально соединенных между собой силового модуля, модуля крепления и модуля подъема груза, причем силовой модуль включает в себя спинной каркас, соединяемый с помощью шарнира с бедром, которое в свою очередь соединено шарнирно с голенным звеном, шарнирно соединенным со стопой, причем спинной каркас присоединяется с помощью грудных фиксирующих креплений и креплений поясничного отдела к корпусу оператора, при этом модуль подъема груза включает в себя корпус, присоединяемый с помощью ремней к спинному каркасу, и систему размещения грузов, включающую в себя тросы расположенные внутри направляющих, установленных на спинном каркасе, причем на нижних свободных концах тросов установлены крючки для закрепления груза, при этом внутри корпуса модуля подъема груза установлен привод для подъема, опускания и фиксирования переносимых грузов, который состоит из адаптивной системы управления и привода, включающего в себя двигатель и редуктор, причем адаптивная система управления включает в себя микропроцессорное устройство, систему управления питанием, периферийные устройства и элементы измерительного тракта, а двигатель и редуктор привода кинематически связаны с барабаном, на который намотаны верхние концы тросов, причем на валу барабана установлен датчик угла поворота, причем привод электрически связан с адаптивной системой управления, которая выполнена с возможностью обеспечение постоянной скорости вращения барабана, причем бедренное и голенное звенья снабжены устройствами для регулировки длины с целью подгонки под антропометрические параметры оператора.The claimed technical solution differs from the prototype in that it consists of a power module, an attachment module and a load lifting module, which are functionally interconnected, and the power module includes a dorsal frame connected by means of a hinge to the thigh, which in turn is hinged to the shin a link pivotally connected to the foot, and the dorsal frame is attached with the help of chest fixing and lumbar attachments to the operator's body, while the load lifting module includes a body that is attached by belts to the back frame, and a load placement system, which includes ropes located inside the guides installed on the back frame, and hooks are installed on the lower free ends of the ropes to secure the load, while inside the body of the load lifting module there is a drive for lifting, lowering and fixing the carried loads, which consists of an adaptive control system and a drive that includes in itself a motor and a gearbox, and the adaptive control system includes a microprocessor device, a power control system, peripheral devices and elements of the measuring path, and the motor and the drive gearbox are kinematically connected to the drum on which the upper ends of the cables are wound, and an angle sensor is installed on the drum shaft rotation, and the drive is electrically connected to an adaptive control system, which is configured to provide a constant speed of rotation of the drum, and the femoral and lower leg links are equipped with devices for adjusting the length in order to adjust to the anthropometric parameters of the operator.

Отличительные признаки в заявляемом техническом решении не выявлены при изучении данной и смежных областей техники.Distinctive features in the claimed technical solution were not identified in the study of this and related fields of technology.

Совокупность заявляемых признаков обеспечивает достижение задачи полезной модели - повышение работоспособности оператора.The totality of the claimed features ensures the achievement of the utility model task - increasing the operator's performance.

На фиг. 1 показан вид сбоку устройства, на фиг. 2 – вид сзади, на фиг.3 – вид спереди, на фиг.4 – схема модуля подъема груза, на фиг.5 –блок-схема адаптивной системы управления.FIG. 1 shows a side view of the device, FIG. 2 is a rear view, FIG. 3 is a front view, FIG. 4 is a diagram of a load lifting module, and FIG. 5 is a block diagram of an adaptive control system.

Экзоскелет состоит из следующих модулей: силовой модуль (отвечающий за проведение технологических операций), включающий в себя спинной каркас 1, соединяемый с помощью шарнира 2 с бедром 3, которое в свою очередь соединено шарнирно через шарнир 4 с голенным звеном 5, шарнирно соединенным со стопой 6; модуль крепления (позволяющий закреплять экзоскелет на корпусе оператора), включающий в себя спинной каркас 1, присоединяемый с помощью грудных фиксирующих креплений 7 и креплений поясничного отдела 8 к корпусу оператора 9; модуль подъема груза (отвечающий за подъем и опускание груза, а также за безопасность его перемещения). Модуль подъема груза включает в себя корпус 10, присоединяемый с помощью ремней к спинному каркасу 1(внутри корпуса 10 установлен привод для подъема, опускания и фиксирования переносимых грузов) и систему размещения грузов, включающую в себя тросы 11 расположенные внутри направляющих 12, установленных на спинном каркасе 1. Причем на нижних свободных концах тросов 11 установлены крючки 13 для закрепления груза 14. Привод для подъема, опускания и фиксирования переносимых грузов состоит из следующих основных элементов: адаптивной системы управления 15, включающей микропроцессорное устройство, систему управления питанием, периферийные устройства и элементы измерительного тракта (фильтры, регуляторы уровня сигнала и т. д.); привода, включающего в себя двигатель 16 и редуктор 17, кинематически связанные с барабаном 18, на который намотаны верхние концы тросов 11. На валу барабана 18 установлен датчик угла поворота 19. В свою очередь привод электрически связан с адаптивной системой управления 15. При этом основная задача, решаемая адаптивной системой управления 15 - обеспечение постоянной скорости вращения барабана 18 с недетерминированным (переменным) весом поднятого груза 14.The exoskeleton consists of the following modules: a power module (responsible for carrying out technological operations), which includes a dorsal frame 1, connected by a hinge 2 with a thigh 3, which in turn is hinged through a hinge 4 with a shin link 5, hingedly connected to the foot 6; an attachment module (allowing the exoskeleton to be attached to the operator's body), which includes a dorsal frame 1, attached with the help of chest fixing mounts 7 and lumbar mounts 8 to the operator's body 9; load lifting module (responsible for lifting and lowering the load, as well as for the safety of its movement). The load lifting module includes a body 10, which is attached with belts to the back frame 1 (a drive is installed inside the body 10 for lifting, lowering and fixing the carried loads) and a system for placing loads, including cables 11 located inside the guides 12 installed on the back frame 1. Moreover, hooks 13 are installed on the lower free ends of the cables 11 to secure the load 14. The drive for lifting, lowering and fixing the carried loads consists of the following main elements: an adaptive control system 15, including a microprocessor device, a power management system, peripheral devices and elements measuring path (filters, signal level regulators, etc.); a drive, including a motor 16 and a gearbox 17, kinematically connected to the drum 18, on which the upper ends of the cables 11 are wound. A rotation angle sensor 19 is installed on the drum shaft 18. In turn, the drive is electrically connected to the adaptive control system 15. In this case, the main the problem solved by the adaptive control system 15 is to ensure a constant rotation speed of the drum 18 with a non-deterministic (variable) weight of the lifted load 14.

Адаптивная система управления электрически связана с приводом (включающем в себя двигатель 16 и редуктор 17) и состоит из пользовательского интерфейса 20, блока логики принятия решения 21, датчиков температуры 22, тока 23, напряжения 24, источника питания 25, фильтров температуры 26, тока 27 и напряжения 28, датчика угла наклона барабана 29, датчика усилия 30, суммирующего фильтра 31, регулятора 32, усилителя 33.The adaptive control system is electrically connected to the drive (including motor 16 and gearbox 17) and consists of user interface 20, decision logic block 21, temperature sensors 22, current 23, voltage 24, power supply 25, temperature filters 26, current 27 and voltage 28, drum tilt angle sensor 29, force sensor 30, summing filter 31, controller 32, amplifier 33.

Адаптивная система управления работает следующим образом. Движение начинается с использованием команд из пользовательского интерфейса 20. Пользователь устанавливает направление и значение скорости вращения барабана ω. Затем желаемое значение скорости отправляется в блок логики принятия решения 21, где опрашиваются датчики 19, 22, 23, 24 и проверяются условия, влияющие на параметры контроллера. При обработке информации с датчиков используются соответствующие фильтры 26, 27,28, 29. Положение и скорость вращения барабана18 регулируется путем изменения напряжения питания электродвигателя 16. Согласно блок-схеме, напряжение питания является функцией измеренных параметров тока и напряжения источника питания 25, датчика положения барабана 19. Электропривод дополнительно оснащен системой контроля натяжения троса 11, которая необходима для обеспечения правильной размотки троса без нагрузки.The adaptive control system works as follows. The movement is started using commands from the user interface 20. The user sets the direction and value of the drum rotation speed ω . Then the desired speed value is sent to the decision logic block 21, where the sensors 19, 22, 23, 24 are polled and the conditions affecting the controller parameters are checked. When processing information from the sensors, appropriate filters 26, 27, 28, 29 are used. The position and speed of rotation of the drum 18 is regulated by changing the supply voltage of the electric motor 16. According to the block diagram, the supply voltage is a function of the measured parameters of the current and voltage of the power source 25, the drum position sensor 19. The electric drive is additionally equipped with a cable tension control system 11, which is necessary to ensure correct cable unwinding without load.

Кроме этого, бедренное звено 3 и голенное звено 5 снабжены устройствами для регулировки длины (на фиг. не показаны) с целью подгонки под антропометрические параметры человека - оператора.In addition, the femoral link 3 and the shin link 5 are equipped with devices for adjusting the length (not shown in the figure) in order to fit the anthropometric parameters of the human operator.

Конструктивно экзоскелет, представляющий из себя систему звеньев, соединенных шарнирами, повторяет скелет человека и дублирует опорный аппарат человека - оператора. Перемещение оператора по поверхности происходит за счет мышечной энергии человека без использования каких-либо дополнительных источников энергии и движителей, а для подъема и опускания перемещаемого груза используется модуль подъема, оснащенный приводом с адаптивной системой управления.Structurally, the exoskeleton, which is a system of links connected by hinges, repeats the human skeleton and duplicates the supporting apparatus of the human operator. The operator moves on the surface due to the human muscle energy without using any additional energy sources and propellers, and a lifting module equipped with a drive with an adaptive control system is used to raise and lower the moving load.

Использование предлагаемого экзоскелета, позволяет увеличить эффективность его работы при переноске грузов за счет снижения усилий, затрачиваемых на такую переноску, а также увеличение физических возможностей человека.The use of the proposed exoskeleton makes it possible to increase the efficiency of its work when carrying loads by reducing the efforts spent on such carrying, as well as increasing the physical capabilities of a person.

Claims

An exoskeleton, characterized by the fact that it consists of a power module, an attachment module and a load lifting module, which are functionally interconnected, and the power module includes a dorsal frame, which is hinged to the thigh, which, in turn, is hinged to the shin link, pivotally connected to the foot, and the dorsal frame is attached by means of chest fixing and lumbar attachments to the operator's body, while the load lifting module includes a body attached with belts to the back frame, and a load placement system including cables, located inside the guides installed on the back frame, and hooks are installed on the lower free ends of the cables for securing the load, while inside the body of the load lifting module there is a drive for lifting, lowering and fixing the carried loads, which consists of an adaptive control system and a drive that includes self motor and gearbox , moreover, the adaptive control system includes a microprocessor device, a power control system, peripheral devices and elements of the measuring path, and the motor and the drive reducer are kinematically connected to the drum on which the upper ends of the cables are wound, and a rotation angle sensor is installed on the drum shaft, and the drive electrically connected to an adaptive control system, which is configured to provide a constant drum rotation speed, and the femoral and lower leg links are equipped with devices for adjusting the length in order to adjust to the anthropometric parameters of the operator.