Коленное сочленение экзоскелетона

Коленное сочленение предназначено для соединения бедра 1 и голени 2 экзоскелетона, управляемого за счет использования мускульной силы человека. В фазе опорного движения обеспечивается фиксация («запирание») коленного сочленения экзоскелетона при полностью разогнутой (выпрямленной) ноге человека, а в фазе безопорного движения - режим копирования положения коленного сустава человека. Механизм 10 «запирания» (фиксации) коленного узла экзоскелетона содержит тормозной диск 7, смонтированный на валу 8 кинематической пары 4 и тормозную колодку 9, смонтированную на штоке 18 гидроцилиндра 11. «Запирание» коленного сочленения осуществляется при переносе центра тяжести на пятку человека и сдавливании, за счет этого, эластичного мешка 12, через гидравлическую линию 13 соединенную со штуцером гидроцилиндра 11. Предложенная конструкция коленного сочленения обеспечивает улучшение эргономических характеристик экзоскелетона.

1 н.з.п. ф-лы, 1 ил.

Полезная модель относится к области медицины и протезирования, а именно к травматологии и ортопедии, а также может быть использована в качестве коленных сочленений экзоскелетонов, управляемых за счет использования мускульной силы человека и используемых в туризме, спорте и при проведении спасательных и армейских операций.

Известно коленное сочленение экзоскелетона, содержащее роликовую обгонную муфту с поводковой вилкой, причем обойма обгонной муфты встроена в выполненный в виде втулки конец бедренного звена экзоскелетона, а ступица обгонной муфты смонтирована на выполненном в виде вала конце голенного звена экзоскелетона, причем втулка бедренного звена, вал голенного звена, вал поводковой вилки, обойма и ступица расположены соосно (патент РФ 2075986, опубл. 27.03.1997).

Управление режимом работы этого коленного сочленения осуществляется при помощи тросов, что приводит к неудобству в обслуживании и эксплуатации. Кроме того, данное устройство металлоемко и сложно в эксплуатации. Указанные факторы снижают надежность работы устройства.

Наиболее близким к предложенному изобретению является коленное сочленение бедренного и голенного звеньев экзоскелетона, включающего также стопу и содержащее кинематическую цилиндрическую вращательную пару, выполненную в виде вращательной пары с подвижными звеньями, тормозной диск, жестко смонтированный на валу кинематической пары, тормозную колодку, установленную с возможностью взаимодействия с тормозным диском, и, средство управления перемещением тормозной колодки, причем первое подвижное звено кинематической пары жестко смонтировано на нижнем конце бедренного звена, а второе подвижное звено - на верхнем конце голенного звена (патент РФ 2362598, опубл. 27.07.2009).

Управление режимом работы этого коленного сочленения также осуществляется при помощи тросов, что приводит к неудобству в обслуживании и эксплуатации. Кроме того, данное устройство также металлоемко и сложно в эксплуатации. Указанные факторы ограничивают эргономические характеристики экзоскелетона в целом.

Техническим результатом, на достижение которого направлена данная полезная модель, является снижение металлоемкости и уменьшение веса устройства и, улучшения за счет этого, эргономических характеристик экзоскелетона в целом.

Для достижения указанного технического результата в известном коленном сочленении бедренного и голенного звеньев экзоскелетона, включающего также стопу и содержащем кинематическую цилиндрическую вращательную пару, выполненную в виде вращательной пары с подвижными звеньями, тормозной диск, жестко смонтированный на валу кинематической пары, тормозную колодку, установленную с возможностью взаимодействия с тормозным диском, и, средство управления перемещением тормозной колодкой, причем первое подвижное звено кинематической пары жестко смонтировано на нижнем конце бедренного звена, а второе подвижное звено - на верхнем конце голенного звена, средство управления перемещением тормозной колодки выполнено в виде первого гидроцилиндра и эластичного мешка, соединенных между собой гидравлической линией и стельки, смонтированной на стопе, при этом задняя часть стельки подпружинена относительно стопы, в задней части стопы выполнен карман для размещения эластичного мешка, гидроцилиндр смонтирован на втором подвижном звене кинематической пары, тормозная колодка смонтирована на свободном конце штока гидроцилиндра, а эластичный мешок смонтирован в кармане стопы с возможностью его контактирования с задней частью стельки.

На фиг.1 приведена кинематическая схема коленного шарнирного сочленения экзоскелетона.

На фиг.1 обозначены: 1, 2 и 3 - соответственно бедренное и голенное звенья и стопа экзоскелетона; 4 - кинематическая цилиндрическая вращательная пара; 5 и 6 - соответственно первое и второе подвижные звенья кинематической пары 4; 7 - тормозной диск; 8 - вал кинематической пары 4; 9 - тормозная колодка; 10 - средство управления перемещением тормозной колодки 9; 11 - гидроцилиндр; 12 - эластичный мешок; 13 - гидравлическая линия; 14 - стелька; 15 - башмак; 16 - задняя часть стельки 14; 17 - карман для размещения эластичного мешка 12; 18 - шток гидроцилиндра 11.

Коленное сочленение бедренного 1 и голенного 2 звеньев экзоскелетона, включающего также стопу 3, содержит кинематическую цилиндрическую вращательную пару 4, выполненную в виде вращательной пары с подвижными звеньями 5 и 6, тормозной диск 7, жестко смонтированный на валу 8 кинематической пары 4, тормозную колодку 9, установленную с возможностью взаимодействия с тормозным диском 7.

При этом первое 5 подвижное звено кинематической пары 4 жестко смонтировано на нижнем конце бедренного звена 1, а второе 6 подвижное звено -на верхнем конце голенного звена 2.

Коленное сочленение содержит также средство 10 управления перемещением тормозной колодки 9, выполненное в виде гидроцилиндра 11 и эластичного мешка 12, соединенных между собой гидравлической линией 13 и стельки 14, смонтированной на стопе 3 экзоскелетона. При этом задняя часть 16 стельки 14 подпружинена относительно стопы 3, в задней части стопы 3 выполнен карман 17 для размещения эластичного мешка 12, гидроцилиндр 11 смонтирован на втором 6 подвижном звене кинематической пары 4, тормозная колодка 9 смонтирована на свободном конце штока 18 гидроцилиндра 11, а эластичный мешок 12 смонтирован в кармане 17 стопы 3 с возможностью его контактирования с задней частью 16 стельки 14.

Рассмотрим работу коленного сочленения в составе экзоскелетона.

Перед началом работы с помощью соответствующих элементов крепления (поясов, лямок, застежек и т.п.) человек в положении «СИДЯ» прикрепляет экзоскелетон к верхней части туловища и к нижним конечностям таким образом, чтобы ось 8 вращения кинематической пары 4 совпала с осью вращения коленного сустава человека в сагиттальной плоскости, а ступни ног размещает внутри башмаков 15.

Коленное сочленение экзоскелетона должно обеспечить возможность функционирования экзоскелетона в двух фазах - в фазе опорного движения и в фазе безопорного движения ножных опор.

При этом в фазе опорного движения необходимо обеспечить запирание коленного узла экзоскелетона при опоре пятки ноги человека на опорную поверхность, а в фазе безопорного движения - режим копирования положения коленного сустава человека.

Перед началом работы с помощью соответствующих элементов крепления (поясов, лямок, застежек и т.п.) человек в положении «СИДЯ» прикрепляет экзоскелетон к верхней части туловища и к нижним конечностям, ступни ног размещает внутри башмаков 15.

В этом положении сила, которая действует на стельку 14 незначительна и задняя часть 16 стельки 14 не находится в контакте с эластичным мешком 12. При этом шток 18 гидроцилиндра 11 находится во втянутом состоянии и, следовательно, тормозная колодка 9 не находится в контакте с тормозным диском 7 и не препятствует свободному относительному вращению бедренного 1 и голенного 2 звеньев экзоскелетона, то есть обеспечивается режим копирования положения коленного сустава человека.

При переходе человека из положения «СИДЯ» в положение «СТОЯ» он переходит в фазу опоры или опорного движения. При этом сила, действующая на стопу 3 увеличивается, задняя часть 16 стельки 14 распрямляется и давит на эластичный мешок 12. В результате часть жидкости из эластичного мешка 12 по гидравлической линии 13 подается в гидроцилиндр 11, выталкивая наружу шток 18 со смонтированной на нем тормозной колодкой 7. А в результате контакта тормозной колодки 9 с тормозным диском 7 происходит стопорение последнего, т.е. осуществляется «запирание» коленного сочленения экзоскелетона.

При очередном переходе в фазу безопорного движения давление на заднюю часть стельки 16 снова уменьшается и, в результате, коленное сочленение «отпирается».

Таким образом, в статическом положении «СТОЯ» масса тела человека поддерживается в тазобедренной области на расположенных перпендикулярно опорной поверхности бедренных 1 и голенных 2 звеньях экзоскелетона. При этом нагруженными из мышц нижних конечностей остаются только мышцы голеностопа, которые удерживают тело человека от опрокидывания относительно опорных точек, расположенных под пятками человека. При этом нагрузка на коленный сустав существенно снижается.

Работа коленного сочленения в динамике отличается тем, что перемещение нижних конечностей человека обеспечивается путем перенесения центра тяжести на одну из ног - опорную и уменьшением за счет этого силы, действующей на заднюю часть 16 стельки 14 другой - не опорной конечности, так как на нее не воздействуют массы тела и груза). В результате этого подпружиненная задняя часть 16 стельки 14 под не опорной конечностью выгибается вверх и перестает оказывать давление на эластичный мешок 12 и он увеличивается в объеме, принимая в себя часть жидкости из гидроцилиндра 11. В результате шток 18 гидроцилиндра 11 средства 10 управления перемещением тормозной колодки 9 втягивается внутрь корпуса гидроцилиндра 11, выводя тем самым тормозную колодку 9 из контакта с тормозным диском 7.

В результате конечности человека приобретают в коленном суставе требуемую подвижность. В данном случае под действием усилия соответствующих мышц происходит естественное движение подъема, сгибания и последующего затем расправления в тазобедренном и коленном суставах человека, что характерно для выполнения шагового движения.

При дальнейшем перенесении центра тяжести на выдвинутую вперед ногу он переносится с носка на пятку эта нога становится опорной и происходит распрямление задней части 16 стельки 14 этой ноги и, соответственно, сдавливание эластичного мешка 12 в кармане 17. В результате шток 18 выдвигается из корпуса гидроцилиндра 11 и тормозная колодка 9 прижимается к тормозному диску 7, фиксируя неподвижность данного коленного узла. Одновременно с этим происходит «отпирание» коленного узла не опорной ноги. В дальнейшем работа устройства не отличается от приведенной.

Ограничением размера переносимого груза является допустимая нагрузка на мышцы голеностопа и туловища, а для бега - на мышцы нижних конечностей. Наибольшую нагрузку испытывают мышцы ног человека при вертикальном подъеме тела и груза с положения приседания, т.е. когда обе опорные ноги согнуты в коленях. Но даже в этих условиях соблюдаются щадящие условия работы мышц, так как подъем масс может осуществляться поэтапно, чередуя напряжение и расслабление работающих мышц, что обеспечивается механизмом фиксации коленных шарнирных узлов. В данном случае появляется возможность поднимать тяжести гораздо большей массы.

Таким образом, в предлагаемой полезной модели, обеспечиваются снижение металлоемкости и уменьшение веса устройства, и, улучшение, за счет этого, эргономических характеристик экзоскелетона в целом. То есть, обеспечивается заявленный технический результат.

Проведенные авторами и заявителем патентные исследования показали, что аналогов предложенным существенным отличиям нет.

Коленное сочленение бедренного и голенного звеньев экзоскелетона, включающего также стопу, содержащее кинематическую цилиндрическую вращательную пару, выполненную в виде вращательной пары с подвижными звеньями, тормозной диск, жестко смонтированный на валу кинематической пары, тормозную колодку, установленную с возможностью взаимодействия с тормозным диском, и средство управления перемещением тормозной колодкой, причем первое подвижное звено кинематической пары жестко смонтировано на нижнем конце бедренного звена, а второе подвижное звено - на верхнем конце голенного звена, отличающееся тем, что средство управления перемещением тормозной колодки выполнено в виде гидроцилиндра и эластичного мешка, соединенных между собой гидравлической линией, и стельки, смонтированной на стопе голеностопного звена, при этом задняя часть стельки подпружинена относительно стопы, в задней части стопы выполнен карман для размещения эластичного мешка, гидроцилиндр смонтирован на втором подвижном звене кинематической пары, тормозная колодка смонтирована на свободном конце штока гидроцилиндра, а эластичный мешок смонтирован в кармане стопы с возможностью его контактирования с задней частью стельки.