RU2114667C1

RU2114667C1 - Exoskeleton pivot joint

Info

Publication number: RU2114667C1
Application number: RU95106390A
Authority: RU
Inventors: Евгений Александрович Осадчий; Александр Степанович Олексюк; Сергей Петрович Риппа
Original assignee: Акционерное общество закрытого типа "САНА"
Priority date: 1995-03-27
Filing date: 1995-04-20
Publication date: 1998-07-10
Also published as: RU95106390A

Abstract

FIELD: equipment for enhancing physical capacities of individuals. SUBSTANCE: pivot joint has upper and lower levers to be connected to biological limb joints. Levers are interconnected by pivot hinge through freewheel clutch with clutch holder retaining mechanism. The latter has tie-rod with platform and catch engageable with clutch holder teeth. Platform is pivotally connected with lower lever. Shield is positioned between lower lever and biological joint for rotation about axis of clutch. Overrunning two-way clutch with reversal lever is mounted on pin attached to shield. Overrunning clutch is kinematically connected with pair of conical gear wheels of jack, which is adapted for urging upper lever relative to lower lever. EFFECT: increased efficiency and simplified construction. 2 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской и робототехнической технике, предназначенной для усиления физических возможностей человека. The invention relates to medical and robotic technology, designed to enhance the physical capabilities of a person.

Известны муфты (механизмы) свободного хода (Пилипенко М.Н. Механизмы свободного хода. М., Л.: Машиностроение, 1966, с. 180), содержащие обойму и ступицу, между которыми расположены цилиндрические ролики, на которые воздействуют пружины. При перемещении обоймы относительно ступицы в сторону действия пружин цилиндрические ролики заклиниваются между обоймой и ступицей, чем обеспечивается передача вращательного момента между этими деталями. При относительном вращении в противоположном направлении обоймы относительно ступицы происходит ресклинивание роликов и передача момента прекращается. Known clutches (mechanisms) of free-wheeling (Pilipenko MN. Free-wheeling mechanisms. M., L .: Mashinostroenie, 1966, p. 180), containing a cage and a hub, between which are located cylindrical rollers, which are affected by the springs. When the cage is moved relative to the hub towards the action of the springs, the cylindrical rollers are jammed between the cage and the hub, which ensures the transmission of torque between these parts. With relative rotation in the opposite direction of the cage relative to the hub, the rollers are wedged and the transmission of torque stops.

Совпадающим с предлагаемым устройством признаком является муфта свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения. A sign coinciding with the proposed device is a freewheel with the possibility of one-way rotational movement.

Данные механизмы не обеспечивают свободное угловое вращение обоймы относительно ступицы при отсутствии нагрузки на них, чем сужается область их применения. These mechanisms do not provide free angular rotation of the cage relative to the hub in the absence of load on them, which narrows the scope of their application.

Известно также устройство для шагового перемещения (а.с. СССР N 1669108, кл. A 63 B 25/10, 1991), содержащее каркас с элементами крепления к туловищу, шарнирно связанные с каркасом две пары рычагов, каждая из которых состоит из соединенных между собой посредством шарнирных узлов тазобедренного и голеностопного рычагов с элементами крепления к ногам, и шарнирно связанные со свободными концами голеностопных рычагов опорные платформы для обуви. Каждый из шарнирных узлов, соединяющий рычаги, снабжен механизмом фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением в виде сегмента с наклонными зубьями и взаимодействующей с ними собачкой и средством управления собачкой. There is also known a device for stepping (A.S. USSR N 1669108, class A 63 B 25/10, 1991), comprising a frame with fastening elements to the body, two pairs of levers pivotally connected to the frame, each of which consists of connected between by means of hinged nodes of the hip and ankle levers with fastening elements to the legs, and support platforms for the shoes pivotally connected to the free ends of the ankle levers. Each of the hinge assemblies connecting the levers is equipped with a mechanism for fixing the hinge assembly with ratchet gear in the form of a segment with inclined teeth and a dog interacting with them and a dog control.

Совпадающими с предлагаемым устройством признаками являются каркас с элементами крепления, шарнирно связанные с каркасом пары рычагов, каждая из которых состоит из соединенных между собой посредством шарнирных узлов верхнего и нижнего рычагов с элементами крепления с конечности и шарнирно связанные со свободными концами нижних рычагов опорные платформы. Шарнирные узлы, соединяющие рычаги, снабжены механизмом фиксации шарнирного узла со средствами управления им. Signs that coincide with the device proposed are a frame with fastening elements, a pair of levers pivotally connected to the frame, each of which consists of upper and lower levers interconnected by pivot nodes with fastening elements from a limb and support platforms pivotally connected to the free ends of the lower levers. The hinge assemblies connecting the levers are equipped with a mechanism for fixing the hinge assembly with controls.

Устройство обеспечивает поддержание и передвижение пользователя, но не обладает достаточным удобством применения, так как механизм фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением излишне усложнен и имеет недостаточное количество зон фиксации. Кроме того, он не обеспечивает накопление мышечной энергии для последующего взаимного перемещения рычагов, находящихся под значительной нагрузкой. The device provides support and movement of the user, but does not have sufficient ease of use, since the locking mechanism of the hinge assembly with ratchet gear is unnecessarily complicated and has an insufficient number of fixation zones. In addition, it does not provide the accumulation of muscle energy for subsequent mutual displacement of levers under significant load.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является искусственный коленный сустав (Патент США N 3694823, кл. A 61 F 1/04 1972), содержащий каркас в виде тазобедренного и голеностопного рычагов с элементами крепления к конечности, связанные шарнирным узлом, состоящим из муфты свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения, расположенной на поворотном пальце, шарнирный узел включает в себя механизм фиксации кольцевого зажима, расположенный вокруг обоймы муфты свободного хода, состоящий из двухэлементной разгибающейся детали, в состав которой входят корпус, поворотный в направлении втулки, соединенный с тазобедренным рычагом, и одного конца кольцевого зажима, а также рычаг, поворотный и направлении указанного конца зажима и соединенный с другим концом зажима; указанный рычаг является регулированным (по углу) относительно корпуса; поворотный палец, соединяющий указанные две части элемента с тазобедренным рычагом, является эксцентричным и подвижным. The closest in technical essence to the proposed technical solution is an artificial knee joint (US Patent No. 3694823, class A 61 F 1/04 1972), containing a frame in the form of hip and ankle levers with fastening elements to the extremities, connected by a hinge unit, consisting of the freewheel with the possibility of one-way rotational movement located on the pivot pin, the hinge assembly includes a ring clamp fixing mechanism located around the yoke of the freewheel, consisting of uhelementnoy unbent parts, which comprises a housing in the rotary direction of the sleeve connected to the hip lever and one end of the ring clamp, and a lever, and the rotary direction of said clip end and connected to the other end of the clamp; the specified lever is adjustable (in angle) relative to the housing; the pivot pin connecting these two parts of the element with a hip lever is eccentric and movable.

Общими с предлагаемым техническим решением признаками являются каркас в виде верхнего и нижнего рычагов, с элементами крепления, связанных шарнирным узлом, состоящим из муфты свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения, механизма фиксации обоймы муфты свободного хода. Common with the proposed technical solution features are the frame in the form of upper and lower levers, with fasteners connected by a hinge assembly consisting of a freewheel with the possibility of one-way rotational movement, a mechanism for fixing the clip of the freewheel.

Устройство применяется в протезировании, но не предназначено для использования в экзоскелетонах, а механизм фиксации обоймы муфты свободного хода не обеспечивает накопление и преобразование мышечной энергии и динамичного момента приложения в статичный. The device is used in prosthetics, but is not intended for use in exoskeletons, and the mechanism for fixing the clip of the freewheel does not provide the accumulation and conversion of muscle energy and dynamic application moment into static.

В основу изобретения поставлена задача создать такое устройство, в котором новое конструктивное выполнение элементов механизма фиксации обоймы муфты свободного хода шарнирного узла, а также введение дополнительных элементов, позволяет расширить функциональные возможности и область применения устройства. The basis of the invention is the task to create such a device in which a new structural embodiment of the elements of the mechanism for fixing the holder of the free-wheel clutch of the hinge assembly, as well as the introduction of additional elements, allows you to expand the functionality and scope of the device.

Поставленная задача решается устройством, содержащим каркас в виде верхнего и нижнего рычагов с элементами крепления, связанных шарнирным узлом, состоящим из муфты свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения, механизма фиксации обоймы муфты свободного хода, при этом наружная поверхность обоймы выполнена с зубьями, а механизм фиксации обоймы муфты свободного хода содержит тягу с платформой на одном конце и собачкой на другом с возможностью взаимодействия с зубьями обоймы, а платформа шарнирно соединена с нижним рычагом, устройство дополнительно содержит щиток, расположенный между нижним рычагом и телом пользователя с возможностью вращения вокруг оси муфты свободного хода, имеющий ось, на которой расположена двухсторонняя обгонная муфта, кинематически связанная с рычагом реверса через пару конических зубчатых колес домкрата, обеспечивающими принудительное угловое перемещение верхнего рычага относительно нижнего. The problem is solved by a device containing a frame in the form of upper and lower levers with fastening elements connected by a hinge assembly, consisting of a freewheel with the possibility of one-way rotational movement, a mechanism for fixing the ferrule of the freewheel, the outer surface of the ferrule made with teeth, and the mechanism fixing the cage of the freewheel contains a rod with a platform at one end and a dog on the other with the possibility of interaction with the teeth of the cage, and the platform is pivotally connected to the bottom m with a lever, the device further comprises a shield located between the lower lever and the user's body with the possibility of rotation around the axis of the freewheel, having an axis on which there is a double-sided overrunning clutch kinematically connected to the reverse lever through a pair of bevel gears of the jack, providing forced angular movement upper arm relative to the lower.

Отличительными признаками предлагаемого устройства является то, что наружная поверхность обоймы выполнена с зубьями, наружная поверхность обоймы выполнена с зубьями, а механизм фиксации обоймы муфты свободного хода содержит тягу с платформой на одном конце и собачкой на другом с возможностью взаимодействия с зубьями обоймы, а платформа шарнирно соединена с нижним рычагом, устройство дополнительно содержит щиток, расположенный между нижним рычагом и телом пользователя с возможностью вращения вокруг оси муфты свободного хода, имеющий ось, на которой расположена двухсторонняя обгонная муфта, кинематически связанная с рычагом реверса через пару конических зубчатых колес домкрата, обеспечивающими принудительное угловое перемещение верхнего рычага относительно нижнего. Distinctive features of the proposed device is that the outer surface of the cage is made with teeth, the outer surface of the cage is made with teeth, and the locking mechanism of the cage of the freewheel contains traction with a platform at one end and a dog on the other with the possibility of interaction with the teeth of the cage, and the platform is articulated connected to the lower lever, the device further comprises a shield located between the lower lever and the user's body with the possibility of rotation around the axis of the freewheel, having Referring, on which the two-way overrunning clutch is kinematically connected to the lever through a pair of reverse bevel gears jack providing forced angular movement of the upper arm relative to the lower.

Совокупность вышеперечисленных признаков предлагаемого устройства позволяет получить технический результат, заключающийся в том, что становится возможным использование шарнирного сочленения в экзоскелетонах, а механизм фиксации обоймы свободного хода обеспечивает накопление и преобразование мышечной энергии с динамичного момента приложения в статичный, что расширяет область применения устройства. The combination of the above characteristics of the proposed device allows to obtain a technical result, namely, that it becomes possible to use the articulated joint in exoskeletons, and the mechanism for fixing the free-wheel clip provides the accumulation and conversion of muscle energy from the dynamic moment of application to static, which expands the scope of the device.

На фиг. 1 изображена кинематическая схема шарнирного сочленения экозосклетона с винтовым домкратом; на фиг. 2 - продольный разрез устройства. In FIG. 1 shows a kinematic diagram of the articulation of an eco-skeleton with a screw jack; in FIG. 2 is a longitudinal section of a device.

Устройство (фиг. 1, 2) содержит каркас в виде верхнего 1 и нижнего 2 рычагов, с элементами крепления, связанных шарнирным узлом, состоящим из муфты свободного хода 3, включающий обойму 4 с зубьями на наружной поверхности и ступицу 5, между которыми расположены цилиндрические ролики 6, механизм фиксации обоймы муфты свободного хода, содержащий тягу 7, соединенную платформой 8 через шарнир 9 с нижним рычагом, один конец тяги 7 кинематически связан с платформой 8, а другой соединен с собачкой 10, имеющей форму зуба, пружину 11, двухстороннюю обгонную муфту 12 с вилкой 13, ступицей 14, кинематически связанной с рычагом реверса 15, домкрат, состоящий из пары конических зубчатых колес 16, 17, винта 18 с шаровой вершиной 19, толкателя 20. При этом в зубчатом колесе 16 расположена двухсторонняя обгонная муфта 12, кинематически соединенная со щитком 21, а зубчатое колесо 17 винтовым соединением 22 взаимодействует с винтом 18. Кроме того, свободный конец толкателя 20 перемещается в пазе 22 верхнего рычага 1, а муфта свободного хода 3 и шарнирно соединенная с ней двухсторонняя обгонная муфта 12 расположены на оси 23. The device (Fig. 1, 2) contains a frame in the form of upper 1 and lower 2 levers, with fasteners connected by a hinge assembly consisting of a freewheel 3, including a clip 4 with teeth on the outer surface and a hub 5, between which there are cylindrical rollers 6, a locking mechanism for the cage of the freewheel, comprising a rod 7 connected by a platform 8 through a hinge 9 with a lower lever, one end of the rod 7 is kinematically connected to the platform 8, and the other connected to a dog 10 having a tooth shape, spring 11, double-sided overrun couplings 12 with a fork 13, a hub 14, kinematically connected with the reverse lever 15, a jack consisting of a pair of bevel gears 16, 17, a screw 18 with a ball top 19, a pusher 20. In this case, a two-way overrunning clutch 12 is located in the gear wheel 16, kinematically connected to the shield 21, and the gear 17 screw connection 22 interacts with the screw 18. In addition, the free end of the pusher 20 moves in the groove 22 of the upper arm 1, and the freewheel 3 and the double-sided overrunning clutch 12 are located on the axis 23 .

Работает устройство следующим образом. The device operates as follows.

Конечность пользователя, например рука, закрепляется в экзоскелетоне с помощью элементов крепления. При этом опорная часть конечности (кисть) располагается на платформе 8, верхний 1 и нижний 2 рычаги выполняются по наружной форме конечности, а щиток 21 плотно крепится к нижней части конечности. Предварительно с помощью рычага реверса 15 отсоединяют двухстороннюю обгонную муфту 12 от ее взаимодействия с домкратом. При воздействии на платформу 8, например при опоре кистью на ствол, она поворачивается в шарнире 9 и через тягу 7 перемещает собачку 10 до момента взаимодействия ее зуба с зубьями, расположенными на наружной стороне обоймы 4. В результате происходит заклинивание обоймы 4 муфты свободного хода относительно нижнего рычага 2. Так как при расправленной конечности, находящейся в вертикальном положении, муфта свободного хода позволяет осуществлять угловое перемещение верхнего и нижнего рычагов только в сторону изгиба конечности, то происходит полное блокирование подвижности шарнирного узла. The user's limb, such as a hand, is fixed in exoskeleton with the help of fastening elements. In this case, the supporting part of the limb (hand) is located on the platform 8, the upper 1 and lower 2 levers are performed according to the external shape of the limb, and the shield 21 is tightly attached to the lower part of the limb. Previously, using the reverse lever 15 disconnect the two-way overrunning clutch 12 from its interaction with the jack. When exposed to the platform 8, for example, when it is supported by the brush on the barrel, it rotates in the hinge 9 and moves the dog 10 through the rod 7 until the interaction of its tooth with the teeth located on the outer side of the casing 4. As a result, the casing 4 of the overrunning clutch of the lower arm 2. Since when the extremity is upright, the freewheel allows angular movement of the upper and lower levers only towards the bend of the limb, then the floor No blocking of the mobility of the hinge assembly.

Таким образом, в статике экзоскелетон с использованием приведенного шарнирного сочленения первоначально выполняет только опорную функцию для конечности. Thus, in statics, exoskeleton using the articulated joint initially performs only the support function for the limb.

Работа устройства в динамике отличается тем, что при необходимости сгибания конечности, например при поднятии груза, разгружается платформа 8. Тогда под действием усилия сжатия пружины платформа 8 поворачивается относительно шарнира 9, перемещая тягу 7, которая выводит из зубчатого зацепления с обоймой 4 собачку 10. Тем самим разблокируется подвижность шарнирного узла и конечность сгибается. Если опять возникает необходимость в распрямлении конечности и шарнирный узел экзоскелетона на нагружен, то блокирование его подвижности не происходит. В противном случае, под воздействием массы тела и груза на платформу 8 она поворачивается в шарнире 9 и через тягу 7 перемещает собачку 10 до момента взаимодействия ее зуба с зубьями, расположенными на наружной стороне обоймы 4. В результате свойства односторонней подвижности муфты свободного хода происходит однонаправленное блокирование углового перемещения обоймы 4 муфты свободного хода относительно ступицы 5. Это обеспечивает мышечный отдых на любом этапе распрямления конечности. The operation of the device in dynamics is characterized in that, if it is necessary to bend the limb, for example, when lifting the load, the platform 8 is unloaded. Then, under the action of the compression force of the spring, the platform 8 rotates relative to the hinge 9, moving the rod 7, which disengages the dog 10 from the gearing with the clip 4. The mobility of the hinge assembly is thereby unlocked and the limb is bent. If again there is a need to straighten the limbs and the exoskeleton hinge is not loaded, then its mobility is not blocked. Otherwise, under the influence of body weight and load on the platform 8, it rotates in the hinge 9 and moves the dog 10 through the rod 7 until the moment of interaction of its tooth with the teeth located on the outer side of the holder 4. As a result of the property of unilateral mobility of the freewheel, unidirectional blocking the angular movement of the cage 4 of the freewheel relative to the hub 5. This provides muscle relaxation at any stage of limb straightening.

Кроме того, если возникает необходимость распрямления конечности, а сгибающее усилие, например масса груза, значительно превышает силу мышц, то имеется возможность аккумулировать мышечную силу для осуществления этого распрямления. Для этого рычаг реверса 15 переводят в такое положение, когда двухсторонняя обгонная муфта 12 обеспечивает одностороннюю передачу вращательного момента, совпадающего с направлением свободного вращения муфты свободного хода 3 с оси 23 на коническое зубчатое колесо 16. При этом существенно, что величина свободного хода, т.е. размер углового перемещения до момента заклинивания роликов между ступицей и обоймой двухсторонней обгонной муфты 12 должен быть значительно меньше, чем у муфты свободного хода 3. Тогда, при незначительном изгибательном движении конечности, щиток 21 поворачивается в шарнире вокруг оси 23 и это вращательное движение через двухстороннюю обгонную муфту 12 передается на конические зубчатые колеса 16, 17. соответственно при вращении конического зубчатого колеса 17 через винтовое соединение 22 происходит выдвижение винта 18, который через шаровую вершину 19 перемещает толкатель 20, свободный конец которого, перемещаясь вдоль паза 22, вызывает усилие, направленное в сторону складывания рычагов 1,2. Если требуется увеличить это усилие, то повторно выполняют сгибательно-разгибетальное движение конечности. При необходимости выполнения сгибательного движения конечности с грузом переводят рычаг реверса 15 в положение, соответствующее включению возможности углового перемещения двухсторонней обгонной муфты 12 в сторону изгиба конечности. Затем разгружают платформу 8, чем разблокируют муфту свободного хода 3. Тогда, повторяя многократно приведенные действия, выполняют сгибательное движение конечности и опускают груз. In addition, if there is a need to straighten the limb, and bending force, for example, the mass of the load, significantly exceeds the strength of the muscles, then it is possible to accumulate muscle strength to effect this straightening. To do this, the reverse lever 15 is moved to a position where a double-sided freewheel 12 provides a one-way transmission of torque coinciding with the direction of free rotation of the freewheel 3 from axis 23 to the bevel gear 16. It is essential that the amount of freewheel, t. e. the size of the angular displacement until the rollers are jammed between the hub and the cage of the double-sided overrunning clutch 12 should be significantly smaller than that of the freewheel clutch 3. Then, with a slight bending movement of the limb, the shield 21 rotates in hinge around the axis 23 and this rotational movement through the two-way overrunning the clutch 12 is transmitted to the bevel gears 16, 17. accordingly, when the bevel gear 17 rotates through the screw connection 22, the screw 18 extends, which through the ball tire 19 moves the pusher 20, the free end of which, moving along the slot 22, causes a force directed towards the folding arms 1,2. If it is required to increase this force, then the flexion-extension movement of the limb is repeated. If necessary, perform the bending movement of the limb with the load, move the reverse lever 15 to the position corresponding to the inclusion of the possibility of angular movement of the double-sided overrunning clutch 12 towards the limb's bend. Then unload the platform 8, thereby unlocking the freewheel 3. 3. Then, repeating the above-mentioned actions, the limb is bent and lower the load.

Claims

An articulated exoskeleton articulation containing a frame in the form of upper and lower levers with fasteners connected by a hinge assembly consisting of a freewheel with one-way rotational movement, and a mechanism for fixing the yoke of the freewheel, characterized in that the outer surface of the yoke is made with teeth, a mechanism fixing the cage of the freewheel contains a rod with a platform at one end and a dog on the other to interact with the teeth of the cage, the platform is pivotally connected to the lower arm, and devices о additionally contains a shield located between the lower lever and the user's body with the possibility of rotation around the axis of the freewheel and having an axis on which there is a double-sided overrunning clutch with a reverse lever and kinematically coupled to it a pair of bevel gears of the jack intended for forced angular movement of the upper lever relative to the bottom.