Голеностопное сочленение экзоскелетона

Голеностопное сочленение предназначено для соединения голенного звена 1 и стопы 2 экзоскелетонов, управляемых за счет использования мускульной силы человека и содержит первую 3, вторую 4 и третью 5 кинематические цилиндрические вращательные пары. Голеностопное сочленение обеспечивает копирование стопой 2 движения ступни человека. Механизм 21 фиксации второй 4 кинематической пары обеспечивает возможность ее фиксации при вращении ступни человека в сагиттальной плоскости. Благодоря этому обеспечивается улучшение эргономических характеристик экзоскелетона и повышение безопасности пользователя экзоскелетона. Средство 22 управления механизмом 21 фиксации второй 4 кинематической пары реализовано как в ручном, так и в ножном вариантах управления.

1 н.з. и 3 з.п. ф-лы. 3 ил.

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

Известны голеностопные сочленения экзоскелетона, соединяющие голенное звено и ступню экзоскелетона и содержащие по две кинематические цилиндрические вращательные пары (фиг.18 и 19 в патенте США 8057410, опубл. 15.11.2011).

Данные конструкции голеностопных сочленений не позволяют обеспечить движение вокруг трех осей, проходящих через центр голеностопного сустава оператора экзоскелетона, что отрицательно сказывается на эргономических характеристиках человеко-машинной системы оператор - экзоскелетон.

Наиболее близкой к предлагаемоой полезной модели является голеностопное сочленение экзоскелетона, содержащее первую, вторую и третью кинематические цилиндрические вращательные пары, причем первая и вторая кинематические пары выполнены в виде вращательных пар с подвижными звеньями, а третья кинематическая пара - в виде вращательной пары с одним неподвижным и одним подвижным звеньями (Kazerooni Н: Exoskeletons for Human Performance Augmentation// Springer Handbook of Robotics. - Siciliano, Khatib (Eds.). Springer 2008, р.779, fig.33.21.).

В данном голеностопном сочленении экзоскелетона оси первой и второй кинематических пар, обеспечивающих приведение-отведение и сгибание-разгибание ступни оператора не лежат в одной плоскости и, следовательно, не могут одновременно проходить через центр голеностопного сустава пользователя (оператора) экзоскелетона, что отрицательно сказывается на эргономических характеристиках человеко-машинной системы оператор - экзоскелетон. Кроме того, в данном шарнирном узле не предусмотрена возможность его фиксации при сгибании-разгибании ступни человека в сагиттальной плоскости, что снижает безопасность пользователя экзоскелетона.

Техническим результатом, на обеспечение которого направлена данная полезная модель, является улучшение эргономических характеристик системы оператор - экзоскелетон и повышение безопасности оператора - пользователя экзоскелетона.

Для достижения указанного технического результата в известное голеностопное сочленение голенного звена и стопы экзоскелетона, содержащее первую, вторую и третью кинематические цилиндрические вращательные пары, причем первая и вторая кинематические пары выполнены в виде вращательных пар с подвижными звеньями, а третья кинематическая пара - в виде вращательной пары с одним неподвижным и одним подвижным звеньями, введены кронштейн, механизм фиксации второй кинематической пары и, связанное с ним через гидравлическую линию, средство управления механизмом фиксации второй кинематической пары, а на стопе смонтирована внешняя оболочка, которая совместно со стопой образуют башмак для размещения в нем ступни человека, и включает пяточную часть, а также боковые латеральную и медиальную части, снабженные элементами жесткой фиксации в башмаке ступни человека, при этом пяточная, а также боковые латеральная и медиальная части внешней оболочки выполнены жесткими, первое подвижное звено первой кинематической пары жестко смонтировано на одном конце кронштейна, первое подвижное звено второй кинематической пары - на другом конце кронштейна, неподвижное звено третьей кинематической пары - на втором подвижном звене второй кинематической пары, а подвижное звено третьей кинематической пары соединено с голенным звеном экзоскелетона, при этом второе подвижное звено первой кинематической пары жестко смонтировано на пяточной части внешней оболочки башмака, причем геометрические оси вращения первой и второй кинематических пар лежат в одной плоскости АВСО, параллельной плоскости стопы экзоскелетона и пересекаются под прямым углом в точке О предполагаемого размещения центра голеностопного сустава человека, при этом ось вращения первой кинематической пары совпадает с сагиттальной осью, а ось вращения второй кинематической пары - с поперечной осью голеностопного сустава.

Кроме того, механизм фиксации второй кинематической пары содержит тормозной диск, жестко смонтированный на втором подвижном звене второй кинематической пары, первый гидроцилиндр, тормозную колодку, смонтированную на штоке первого гидроцилиндра с возможностью взаимодействия с тормозной колодкой, при этом штуцер первого гидроцилиндра соединен с управляющим входом механизма фиксации второй кинематической пары.

Кроме того, средство управления механизмом фиксации второй кинематической пары содержит второй гидроцилиндр, штуцер которого соединен с выходом средства управления механизмом фиксации, элемент управления положением штока второго гидроцилиндра, выполненный, например, в виде кнопки или рычажного переключателя, смонтированных с возможностью взаимодействия со штоком второго гидроцилиндра, причем корпус второго гидроцилиндра и корпус элемента управления положением штока второго гидроцилиндра смонтированы на едином основании, размещенном в месте, удобном для доступа руки человека, например, на одном из элементов крепления экзоскелетона к туловищу человека, например, на поясе.

Также возможно, что средство управления механизмом фиксации второй кинематической пары содержит второй гидроцилиндр, штуцер которого соединен с выходом средства управления механизмом фиксации, элемент управления положением штока второго гидроцилиндра, выполненный в виде подпружиненной задней части стельки установленной внутри башмака, причем элемент управления положением штока смонтирован с возможностью взаимодействия со штоком второго гидроцилиндра, установленного в стопе экзоскелетона.

На фиг.1 приведена кинематическая схема голеностопного сочленения голенного звена и стопы экзоскелетона, на фиг.2 - схема средства ручного управления механизмом фиксации второй кинематической пары, а на фиг.3 - схема средства ножного управления механизмом фиксации второй кинематической пары.

На фиг.1, 2 и 3 обозначены: 1 - голенное звено экзоскелетона; 2 - стопа экзоскелетона; 3, 4 и 5 - соответственно первая, вторая и третья кинематические цилиндрические вращательные пары; 6 и 7 - соответственно первое и второе подвижные звенья первой 3 кинематической пары; 8 и 9 - соответственно первое и второе подвижные звенья второй 4 кинематической пары; 10 и 11 - соответственно неподвижное и подвижное звенья третьей 5 кинематической пары; 12 - кронштейн; 13 - внешняя оболочка; 14 - башмак; 15 - пяточную часть внешней оболочки 13 башмака 14; 16 - боковая латеральная часть внешней оболочки 13 башмака 14; 17 - боковая медиальная часть внешней оболочки 13 башмака 14; 18 - элементы жесткой фиксации в башмаке 14 ступни человека; 19 - геометрическая ось вращения первой 3 кинематической пары; 20 - геометрическая ось вращения второй 4 кинематической пары; 21 - механизм фиксации второй 4 кинематической пары; 22 - средство управления механизмом 21 фиксации второй 4 кинематической пары; 23 - гидравлическая линия; 24 - тормозной диск; 25 - тормозная колодка; 26 и 27 - соответственно первый и второй гидроцилиндры; 28 и 29 - шток первого и второго гидроцилиндров соответственно; 30 - элемент управления положением штока 29 второго 27 гидроцилиндра; 31 - стелька.

Голеностопное шарнирное сочленение голенного 1 звена и стопы 2 экзоскелетона содержит первую 3, вторую 4 и третью 5 кинематические цилиндрические вращательные пары, причем первая 3 и вторая 4 кинематические пары выполнены в виде вращательных пар с подвижными 6 и 7 и, соответственно, 8 и 9 звеньями, а третья кинематическая пара 5 - в виде вращательной пары с одним неподвижным 10 и одним подвижным 11 звеньями, кронштейн 12, механизм 21 фиксации второй 4 кинематической пары и, связанное с ним через гидравлическую линию 23, средство 22 управления механизмом 21 фиксации второй 4 кинематической пары.

На стопе 2 смонтирована внешняя оболочка 13, которая совместно со стопой 2 образуют башмак 14 для размещения в нем ступни человека и включает пяточную часть 15, а также боковые латеральную 16 и медиальную 17 части, снабженные элементами 18 жесткой фиксации в башмаке 14 ступни человека. При этом пяточная 15, а также боковые латеральная 16 и медиальная 17 части внешней оболочки 13 выполнены жесткими, первое 6 подвижное звено первой 3 кинематической пары жестко смонтировано на одном конце кронштейна 12, первое 8 подвижное звено второй 4 кинематической пары - на другом конце кронштейна 12, неподвижное 10 звено третьей кинематической пары 5 - на втором 9 подвижном звене второй 4 кинематической пары, а подвижное 11 звено третьей кинематической пары 5 соединено с голенным 1 эвеном экзоскелетона.

При этом второе 7 подвижное звено первой 3 кинематической пары жестко смонтировано на пяточной 15 части внешней оболочки 13 башмака 14, причем геометрические оси 19 и 20 вращения первой 3 и, соответственно, второй 4 кинематических пар лежат в одной плоскости АВСО, параллельной плоскости стопы 2 экзоскелетона и пересекаются под прямым углом в точке О предполагаемого размещения центра голеностопного сустава человека, при этом ось 19 вращения первой 3 кинематической пары совпадает с сагиттальной осью, а ось 20 вращения вторй 4 кинематической пары - с поперечной осью голеностопного сустава человека.

Механизм фиксации 21 второй 4 кинематической пары содержит тормозной диск 24, жестко смонтированный на втором 9 подвижном звене второй 4 кинематической пары, первый 26 гидроцилиндр, тормозную колодку 25, смонтированную на штоке 28 первого 26 гидроцилиндра с возможностью взаимодействия с тормозной колодкой 25, при этом штуцер первого 26 гидроцилиндра соединен с управляющим входом механизма 21 фиксации второй 4 кинематической пары.

Средство 22 управления механизмом 21 фиксации второй 4 кинематической пары содержит второй 27 гидроцилиндр, штуцер которого соединен с выходом средства 22 управления механизмом 21 фиксации, элемент 30 управления положением штока 29 второго 27 гидроцилиндра, выполненный, например, в виде кнопки или рычажного переключателя, смонтированных с возможностью взаимодействия со штоком 29 второго 27 гидроцилиндра, причем корпус второго 27 гидроцилиндра и корпус элемента 30 управления положением штока 29 второго 27 гидроцилиндра смонтированы на едином основании, размещенном в месте, удобном для доступа рукой человека, например, на одном из элементов крепления экзоскелетона к туловищу человека, например, на поясе.

Также возможно, что средство 22 управления механизмом 21 фиксации второй 4 кинематической пары содержит второй 27 гидроцилиндр, штуцер которого соединен с выходом средства 22 управления механизмом 21 фиксации, элемент 30 управления положением штока 29 второго 27 гидроцилиндра, выполненный в виде подпружиненной задней части 30 стельки 31, установленной внутри башмака 14, причем элемент 30 управления положением штока 29 смонтирован с возможностью взаимодействия со штоком 29 второго 27 гидроцилиндра, установленного в стопе 2 экзоскелетона.

Рассмотрим работу голеностопного сочленения в составе экзоскелетона.

Перед началом работы с помощью соответствующих элементов крепления (поясов, лямок, застежек и т.п.) прикрепляют экзоскелетон к верхней части туловища и к нижним конечностям, в том числе голенное 2 звено экзоскелетона - к голени человека, а ступни ног размещает внутри башмаков 14, при необходимости подложив предварительно под пятку и заднюю часть ступней вкладыши (на фиг.1-3 не показаны) такой толщины, чтобы точка О пересечения геометрических осей вращения 19 и 20 первой 3 и, соответственно, второй 4 кинематических пар совпала бы с центром голеностопного сустава человека, и с помощью элементов 18 жесткой фиксации фиксируют ступни человека в башмаках 14.

Благодаря этому, стопа 2 экзоскелетона при не зафиксированных кинематических парах 3, 4 и 5 будет копировать движение ступни человека. При этом поворот вокруг оси 19 вращения первой 3 кинематической пары будет копировать движение отведение-приведение (в другой терминологии движение супинации-пронации) ступни человека (поворот во фронтальной плоскости вокруг сагиттальной оси), поворот вокруг оси 20 вращения второй 4 кинематической пары - движение сгибание-разгибание ступни (поворот в сагиттальной плоскости вокруг фронтальной оси), а поворот вокруг оси вращения третьей 5 кинематической пары - поворот наружу и внутрь вокруг оси, соединяющей центры голеностопного и коленного суставов человека.

Голеностопное шарнирное сочленение экзоскелетона обеспечивает возможность функционирования экзоскелетона в двух фазах - в фазе опорного движения и в фазе безопорного движения ножных опор.

Причем в фазе опорного движения обеспечивается возможность «запирания» голеностопного сочлениния экзоскелетона при вращении ступни человека в сагиттальной плоскости как при ручном, так и при ножном управлении механизмом фиксации 21, а в фазе безопорного движения - режим копирования положения голеностопного сустава человека.

При этом для осуществления режима копирования необходимо обеспечить отсутствие контакта тормозной колодки 25 с тормозным диском 24. А это, в свою очередь, обеспечивается при выдвинутом штоке 29 второго 27 гидроцилиндра (см. фиг.2 и 3), то есть при отсутствии давления на шток 29 со стороны элемента 30 управления положением штока 29 как при ручном так и при ножном управлении.

Наибольшую нагрузку испытывают мышцы ног человека при вертикальном подъеме тела и груза с положения приседания, т.е. когда обе опорные ноги согнуты, в том числе, и в бедренных суставах. 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 шарнирных сочленений, в том числе и голеностопных сочленений экзоскелетона. В данном случае появляется возможность поднимать тяжести гораздо большей массы.

Для обеспечения фиксации («запирания») второй 4 кинематической пары необходимо переместить тормозную колодку 25 до контакта с тормозным диском 24. А для обеспечения этого контакта необходимо как в режиме ручного, так и в режиме ножного управления обеспечить выдвижение штока 28 первого гидроцилиндра 26 механизма 21 фиксации второй 4 кинематической пары.

При ручном управлении (фиг.2) механизмом 21 фиксации второй 4 кинематической пары элемент 30 управления положением штока 29 второго 27 гидроцилиндра, выполненный, например, в виде кнопки или рычажного переключателя, переводят в положение, в котором он давит на шток 29 второго 27 гидроцилиндра. Вследствии этого часть жидкости из второго 27 гидроцилиндра через штуцер этого гидроцилиндра и гидравлическую линию 23 подается в полость первого 26 гидроцилиндра. В результате шток 28 первого 26 гидроцилиндра выдвигается и тормозная колодка 25 упирается в тормозной диск 24, осуществляя тем самым фиксацию или «запирание» второй 4 кинематической пары.

При ножном управлении (фиг.3) механизмом 21 фиксации второй 4 кинематической пары элемент 30 управления положением штока 29 второго 27 гидроцилиндра средства 22 управления механизмом 21 фиксации выполнен в виде подпружиненной задней части 30 стельки 31, установленной внутри башмака 14, смонтированного на стопе 2 экзоскелетона

Фиксация («запирание») второй 4 кинематической пары в этом случае осуществляется при переносе центра тяжести тела человека на пятку. При переносе центра тяжести на носок, задняя часть 30 стельки 31 снова изгибается и вторая 4 кинематическая пара «отпирается».

Таким образом, в предлагаемом изобретении, обеспечиваются улучшение эргономических характеристик системы оператор - экзоскелетон и повышение безопасности человека-пользователя экзоскелетона. То есть, обеспечивается заявленный технический результат.

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

1. Голеностопное сочленение голенного звена и стопы экзоскелетона, содержащее первую, вторую и третью кинематические цилиндрические вращательные пары, причем первая и вторая кинематические пары выполнены в виде вращательных пар с подвижными звеньями, а третья кинематическая пара - в виде вращательной пары с одним неподвижным и одним подвижным звеньями, отличающееся тем, что в него введены кронштейн, механизм фиксации второй кинематической пары и связанное с ним через гидравлическую линию средство управления механизмом фиксации второй кинематической пары, а на стопе смонтирована внешняя оболочка, которая совместно со стопой образуют башмак для размещения в нем ступни человека и включает пяточную часть, а также боковые латеральную и медиальную части, снабженные элементами жесткой фиксации в башмаке ступни человека, при этом пяточная, а также боковые латеральная и медиальная части внешней оболочки выполнены жесткими, первое подвижное звено первой кинематической пары жестко смонтировано на одном конце кронштейна, первое подвижное звено второй кинематической пары - на другом конце кронштейна, неподвижное звено третьей кинематической пары - на втором подвижном звене второй кинематической пары, а подвижное звено третьей кинематической пары соединено с голенным звеном экзоскелетона, при этом второе подвижное звено первой кинематической пары жестко смонтировано на пяточной части внешней оболочки башмака, причем геометрические оси вращения первой и второй кинематических пар лежат в одной плоскости АВСО, параллельной плоскости стопы экзоскелетона и пересекаются под прямым углом в точке О предполагаемого размещения центра голеностопного сустава человека, при этом ось вращения первой кинематической пары совпадает с сагиттальной осью, а ось вращения второй кинематической пары - с поперечной осью голеностопного сустава.

2. Голеностопное шарнирное сочленение экзоскелетона по п.1, отличающееся тем, что механизм фиксации второй кинематической пары содержит тормозной диск, жестко смонтированный на втором подвижном звене второй

кинематической пары, первый гидроцилиндр, тормозную колодку, смонтированную на штоке первого гидроцилиндра с возможностью взаимодействия с тормозной колодкой, при этом штуцер первого гидроцилиндра соединен с управляющим входом механизма фиксации второй кинематической пары.

3. Голеностопное шарнирное сочленение экзоскелетона по пп.1 и 2, отличающееся тем, что средство управления механизмом фиксации второй кинематической пары содержит второй гидроцилиндр, штуцер которого соединен с выходом средства управления механизмом фиксации, элемент управления положением штока второго гидроцилиндра, выполненный, например, в виде кнопки или рычажного переключателя, смонтированных с возможностью взаимодействия со штоком второго гидроцилиндра, причем корпус второго гидроцилиндра и корпус элемента управления положением штока второго гидроцилиндра смонтированы на едином основании, размещенном в месте, удобном для доступа рукой человека, например на одном из элементов крепления экзоскелетона к туловищу человека, например на поясе.

4. Голеностопное шарнирное сочленение экзоскелетона по пп.1 и 2, отличающееся тем, что средство управления механизмом фиксации второй кинематической пары содержит второй гидроцилиндр, штуцер которого соединен с выходом средства управления механизмом фиксации, элемент управления положением штока второго гидроцилиндра, выполненный в виде подпружиненной задней части стельки, установленной внутри башмака, причем элемент управления положением штока смонтирован с возможностью взаимодействия со штоком второго гидроцилиндра, установленного в стопе экзоскелетона.