Тазобедренное сочленение экзоскелетона

Тазобедренное сочленение тазового 1 и бедренного 2 звеньев экзоскелетона содержит кронштейн 3 и первую 4, вторую 5 и третью 6 кинематические цилиндрические вращательные пары. Геометрические оси вращения 13 и 14 соответственно первой 4 и второй 5 кинематических пар лежат в одной плоскости и перпендикулярны друг другу, а геометрическая ось 15 третьей 6 кинематической пары перпендикулярна геометрической оси 14 вращения второй 5 кинематической пары. Тазобедренное сочленение обеспечивает копирование бедренным звеном 2 движения бедра человека. Механизм 18 фиксации второй 5 кинематической пары обеспечивает возможность ее фиксации при вращении бедра человека в сагиттальной плоскости. Благодаря этому обеспечивается улучшение эргономических характеристик экзоскелетона и повышение безопасности пользователя экзоскелетона. Средство 19 управления механизмом 18 фиксации второй 4 кинематической пары реализовано как в ручном, так и в ножном вариантах управления.

1 н.з. и 3 з.п.ф.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 тазобедренного шарнирного узла для сочленения тазового и бедренного звеньев экзоскелетонов, управляемых за счет использования мускульной силы человека и используемых в туризме, спорте и при проведении спасательных и армейских операций.

Известно тазобедренное шарнирное сочленение тазового и бедренного звеньев 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, первое подвижное звено первой кинематической пары жестко смонтировано на тазовом звене экзоскелетона, первое подвижное звено второй кинематической пары - на втором подвижном звене первой кинематической пары, неподвижное звено третьей кинематической пары - на втором подвижном звене второй кинематической пары, а подвижное звено - на бедренном звене экзоскелетона (патент США 8057410, опубл. 15.11.2011).

В данном тазобедренном сочленении экзоскелетона оси валов первой и второй кинематических пар не лежат в одной плоскости и, следовательно, не могут одновременно проходить через центр тазобедренного сустава пользователя (оператора) экзоскелетона, что отрицательно сказывается на эргономических характеристиках экзоскелетона.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является тазобедренное сочленение тазового и бедренного звеньев экзоскелетона, содержащее кронштейн и 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, первое подвижное звено первой кинематической пары жестко смонтировано на одном конце кронштейна, первое подвижное звено второй кинематической пары - на другом конце кронштейна, а неподвижное звено третьей кинематической пары - на втором подвижном звене второй кинематической пары, причем геометрические оси валов первой и второй кинематических пар лежат в одной плоскости и перпендикулярны друг другу, а геометрическая ось вала третьей кинематической пары перпендикулярна геометрической оси вала второй кинематической пары (Kazerooni Н: Exoskeletons for Human Performance Augmentation // Springer Handbook of Robotics. - Siciliano, Khatib (Eds.). Springer 2008, р.778, fig.33.20.).

В данном тазобедренном сочленении экзоскелетона не предусмотрена «подгонка» его размера под конкретного человека-пользователя экзоскелетона, а также отсутствуют элементы, позволяющие зафиксировать в произвольном положении вторую кинематическую пару при движении ноги в сагиттальной плоскости, что снижает безопасность пользователя и удобство эксплуатации экзоскелетона в целом.

Техническим результатом, на достижение которого направлена данная полезная модель, является улучшение эргономических характеристик тазобедренного сочленения и безопасности пользователя экзоскелетона.

Для достижения указанной цели в известном тазобедренном сочленении экзоскелетона, содержащем кронштейн и 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, первое подвижное звено первой кинематической пары жестко смонтировано на одном конце кронштейна, первое подвижное звено второй кинематической пары - на другом конце кронштейна, а неподвижное звено третьей кинематической пары - на втором подвижном звене второй кинематической пары, причем геометрические оси валов первой и второй кинематических пар лежат в одной плоскости и перпендикулярны друг другу, а геометрическая ось вала третьей кинематической пары перпендикулярна геометрической оси вала второй кинематической пары, кронштейн снабжен прямолинейными участками, выполненными с возможностью изменения и фиксации стопорами их длины, вторая кинематическая пара снабжена управляемым механизмом ее фиксации, второй гидроцилиндр смонтирован на первом подвижном звене второй кинематической пары, и в состав тазобедренного шарнирного узла экзоскелетона введены средство управления механизмом фиксации второй кинематической пары и гидравлическая линия, причем управляющий вход механизма фиксации второй кинематической пары подключен к управляющему выходу средства управления механизмом фиксации второй кинематической пары посредством гидравлической линии.

Использование тазобедренного сочленения в составе экзоскелетона поясняется чертежами, приведенными на фиг.1, 2 и 3.

На фиг.1 приведена кинематическая схема тазобедренного сочленения экзоскелетона, на фиг.2 - схематично показано средство управления механизмом фиксации второй кинематической пары при ручном управлении, а на фиг.3 - средство управления механизмом фиксации второй кинематической пары при ножном управлении.

На фиг.1, 2 и 3 обозначены: 1 и 2 - соответственно тазовое и бедренное звенья экзоскелетона; 3 - кронштейн; 4, 5 и 6 - соответственно первая, вторая и третья кинематические цилиндрические вращательные пары; 7 и 8 - соответственно первое и второе подвижные звенья первой 4 кинематической пары; 9 и 10 - соответственно первое и второе подвижные звенья второй 5 кинематической пары; 11 и 12 - соответственно неподвижное и подвижное звенья третьей 6 кинематической пары; 13, 14 и 15 - геометрические оси вращения первой 4, второй 5 и, соответственно, третьей 6 кинематических пар; 16 и 17 - прямолинейные участки кронштейна 3; 18 - механизм фиксации второй 5 кинематической пары; 19 - средство управления механизмом 18 фиксации второй 5 кинематической пары; 20 и 21 - соответственно первый и второй гидроцилиндры; 22 и 23 - шток первого 20 и второго 21 гидроцилиндра соответственно; 24 - тормозной диск; 25 - тормозная колодка; 26 - гидравлическая линия; точка О - точка пересечения геометрической оси 13 вращения первой 4 кинематической пары с геометрической осью 14 вращения второй 14 кинематической пары; 27 - геометрическая ось, проходящая через точку О параллельно геометрической оси 15 третьей 6 кинематической пары; 28 - управляющий вход механизма 18 фиксации второй 5 кинематической пары; 29 - выход средства 19 управления механизмом 18 фиксации; 30 - элемент управления положением штока 23 второго 21 гидроцилиндра; 31 - стелька с подпружиненной задней частью; 32 - башмак; 33 стопа экзоскелетона.

Тазобедренное сочленение тазового 1 и бедренного 2 звеньев экзоскелетона содержит кронштейн 3 и первую 4, вторую 5 и третью 6 кинематические цилиндрические вращательные пары, причем первая 4 и вторая 5 кинематические пары выполнены в виде вращательных пар с подвижными звеньями 7, 8 и 9, 10 соответственно, а третья 6 кинематическая пара - в виде вращательной пары с одним неподвижным 11 и одним подвижным 12 звеньями, первое 7 подвижное звено первой 4 кинематической пары жестко смонтировано на одном конце кронштейна 3, первое 9 подвижное звено второй 5 кинематической пары - на другом конце кронштейна 3, а неподвижное звено 11 третьей 6 кинематической пары - на втором 10 подвижном звене второй 5 кинематической пары, причем геометрические оси вращения 13 и 14 соответственно первой 4 и второй 5 кинематических пар лежат в одной плоскости и перпендикулярны друг другу, а геометрическая ось 15 третьей 6 кинематической пары перпендикулярна геометрической оси 14 вращения второй 5 кинематической пары.

Кронштейн 3 снабжен прямолинейными участками 16 и 17, выполненными с возможностью изменения и фиксации стопорами их длины (стопора на фиг.1 не показаны), вторая 5 кинематическая пара снабжена управляемым механизмом 18 ее фиксации, и в состав тазобедренного шарнирного узла экзоскелетона введены средство 19 управления механизмом 18 фиксации второй 5 кинематической пары и гидравлическая линия 26, причем управляющий вход механизма 18 фиксации второй 5 кинематической пары подключен к управляющему выходу средства 19 управления механизмом 18 фиксации второй 5 кинематической пары посредством гидравлической линии 26.

Механизм фиксации 18 второй 5 кинематической пары содержит тормозной диск 24, жестко смонтированный на втором 9 подвижном звене второй 5 кинематической пары, первый 20 гидроцилиндр, тормозную колодку 25, смонтированную на штоке 22 первого 20 гидроцилиндра с возможностью взаимодействия с тормозной колодкой 25, при этом штуцер первого 20 гидроцилиндра соединен с управляющим входом механизма 18 фиксации второй 5 кинематической пары.

Для обеспечения ручного управления механизмом 18 фиксации второй 5 кинематической пары, средство 19 управления механизмом 18 фиксации второй 5 кинематической пары содержит (фиг.2) второй 23 гидроцилиндр, штуцер которого соединен с выходом 29 средства 19 управления механизмом 18 фиксации, элемент 30 управления положением штока 23 второго 21 гидроцилиндра, выполненный, например, в виде кнопки или рычажного переключателя, смонтированных с возможностью взаимодействия со штоком 23 второго 21 гидроцилиндра, причем корпус второго 21 гидроцилиндра и корпус элемента 30 управления положением штока 23 второго 21 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.

Для обеспечения ножного управления механизмом 18 фиксации второй 5 кинематической пары, средство 19 управления механизмом 18 фиксации второй 5 кинематической пары содержит (фиг.3) второй 21 гидроцилиндр, штуцер которого соединен с выходом 29 средства 19 управления механизмом 18 фиксации, элемент 30 управления положением штока 23 второго 21 гидроцилиндра, выполненный в виде подпружиненной задней части 30 стельки 31, установленной внутри башмака 32, смонтированного на стопе 33 экзоскелетона, причем элемент 30 управления положением штока 23 второго 21 гидроцилиндра смонтирован с возможностью взаимодействия со штоком 23 второго 21 гидроцилиндра, установленного в стопе 33 экзоскелетона.

Рассмотрим работу тазобедренного 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 бедренное 2 звено экзоскелетона - к бедру человека, а ступни ног размещает внутри башмаков 32. Затем с помощью телескопических элементов, размещенных на прямолинейных участках 16 и 17 кронштейна 3 осуществляют «подгонку» габаритных размеров тазобедренного сочленения под габариты пользователя таким образом, чтобы точка О пересечения геометрических осей вращения 13 и 14 первой 4 и, соответственно, второй 5 кинематических пар совпала бы с центром тазобедренного сустава человека и с помощью стопоров (на фиг.1 не показаны) жестко фиксируют телескопические элементы.

Благодаря этому, бедренное 2 звено экзоскелетона при не зафиксированных кинематических парах 4, 5 и 6 будет копировать движение бедра человека. При этом поворот вокруг оси 13 вращения первой 4 кинематической пары будет копировать движение отведение-приведение бедра человека (поворот во фронтальной плоскости вокруг сагиттальной оси), поворот вокруг оси 14 вращения второй 5 кинематической пары - движение сгибание-разгибание бедра (поворот в сагиттальной плоскости вокруг фронтальной оси), а поворот вокруг оси 15 вращения третьей 6 кинематической пары - ротацию бедра человека вокруг оси 27, соединяющей центры тазобедренного и коленного суставов человека.

Тазобедренный 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» тазобедренного сочленения экзоскелетона при вращении бедра человека в сагиттальной плоскости как при ручном, так и при ножном управлении механизмом фиксации 18, а в фазе безопорного движения - режим копирования положения тазобедренного 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 23 второго 21 гидроцилиндра (см. фиг.2 и 3), то есть при отсутствии давления на шток 23 со стороны элемента 30 управления положением штока 23 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 тазобедренных сочленений экзоскелетона. В данном случае появляется возможность поднимать тяжести гораздо большей массы.

Для обеспечения фиксации («запирания») второй 5 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 22 первого гидроцилиндра 20 механизма 18 фиксации второй 5 кинематической пары.

При ручном управлении (фиг.2) механизмом 18 фиксации второй 5 кинематической пары элемент 30 управления положением штока 23 второго 21 гидроцилиндра, выполненный, например, в виде кнопки или рычажного переключателя, переводят в положение, в котором он давит на шток 23 второго 21 гидроцилиндра. Вследствии этого часть жидкости из второго 21 гидроцилиндра через выход 29 средства 19 управления механизмом 18 фиксации и гидравлическую линию 26 подается на управляющий вход 28 механизма 18 второй 5 кинематической пары и далее в полость первого 20 гидроцилиндра. В результате шток 22 первого 20 гидроцилиндра выдвигается и тормозная колодка 25 упирается в тормозной диск 24, осуществляя тем самым фиксацию или «запирание» второй 5 кинематической пары.

При ножном управлении (фиг.3) механизмом 18 фиксации второй 5 кинематической пары элемент 30 управления положением штока 23 второго 21 гидроцилиндра средства 19 управления механизмом 18 фиксации выполнен в виде подпружиненной задней части 30 стельки 31, установленной внутри башмака 32, смонтированного на стопе 33 экзоскелетона

Фиксация («запирание») второй 5 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 5 кинематическая пара «отпирается».

Таким образом, в данном тазобедренном сочленении экзоскелетона предусмотрены регулировка его размера под конкретного пользователя и возможность фиксации в произвольном положении второй кинематической пары при движении ноги в сагиттальной плоскости, что повышает безопасность пользователя и удобство эксплуатации экзоскелетона в целом.

То есть происходит улучшение эргономических характеристик тазобедренного сочленения и экзоскелетона в целом.

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

1. Тазобедренное сочленение тазового и бедренного звеньев экзоскелетона, содержащее кронштейн и 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, первое подвижное звено первой кинематической пары жестко смонтировано на одном конце кронштейна, первое подвижное звено второй кинематической пары - на другом конце кронштейна, а неподвижное звено третьей кинематической пары - на втором подвижном звене второй кинематической пары, причем геометрические оси вращения первой и второй кинематических пар лежат в одной плоскости и перпендикулярны друг другу, а геометрическая ось третьей кинематической пары перпендикулярна геометрической оси вращения второй кинематической пары, отличающееся тем, что кронштейн снабжен прямолинейными участками, выполненными с возможностью изменения и фиксации стопорами их длины, вторая кинематическая пара снабжена управляемым механизмом ее фиксации, и в состав тазобедренного шарнирного узла экзоскелетона введены средство управления механизмом фиксации второй кинематической пары и гидравлическая линия, причем управляющий вход механизма фиксации второй кинематической пары подключен к управляющему выходу средства управления механизмом фиксации второй кинематической пары посредством гидравлической линии.

2. Тазобедренное 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. Тазобедренное 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. Тазобедренное 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, смонтированного на стопе экзоскелетона, причем элемент управления положением штока второго гидроцилиндра смонтирован с возможностью взаимодействия со штоком второго гидроцилиндра, установленного в стопе экзоскелетона.