устройство для шагового перемещения

Формула изобретения

Устройство для шагового перемещения, содержащее каркас с элементами крепления к туловищу, шарнирно связанные с каркасом две пары рычагов, каждая из которых состоит из соединенных между собой посредством шарнирного узла тазобедренного и голеностопного рычагов и соединена одним концом с каркасом, а другим с опорной платформой для обуви, механизм фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, соединящий рычаги, кинематически связан с подвижной платформой, отличающееся тем, что каркас дополнительно содержит карданный узел с механизмом фиксации с храповым зубчатым зацеплением в шарнирах, Т-образную планку с костыликами и цилиндрическими накладками на коротких ее концах, и соединенную длинным концом карданным узлом с задней частью седла, карданный узел выполнен в виде взаимно перпендикулярных шарниров переднего и боковых наклонов, при этом шарниры боковых наклонов содержат механизм фиксации с храповым зубчатым зацеплением с противоположным наклоном зубьев храповых колес и тяги управления, шарнирно соединенные одним концом с собачкой, а другим с рычагом, расположенным внутри цилиндрических накладок с возможностью продольного перемещения относительно их, шарнир переднего наклона содержит рычаг управления, шарнирно соединенный одним концом с корпусом карданного узла, а второй конец рычага имеет выступ, взаимодействующий с зубом, жестко закрепленным на внешней стороне длинного конца Т-образной планки, а каждый из механизмов фиксации шарнирного и карданного узлов содержит собачку с цилиндрической ножкой с штифтом и пружиной, собачка выполнена с возможностью осевого перемещения относительно корпуса узла, а элементы крепления к туловищу дополнительно содержат подтяжки, наклонные и голеностопные щитки, при этом пары тазобедренных и голеностопных рычагов расположены между ног пользователя и шарнирно соединены с основанием седла.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к спорту и медицинской технике, а именно, к ортопедии.

Известно устройство для ходьбы (авт.св. СССР N 975012, кл. А 61 Н 3/00), содержащее каркас с элементами крепления к туловищу, шарнирно связанные с каркасом с помощью оси тазобедренные и голеностопные рычаги, снабженные элементами крепления к ноге и опорной платформой, установленной на свободном конце рычагов. Оно также снабжено шестерней и рукояткой, установленными на общей оси, причем шестерня укреплена на каркасе, рукоятка установлена с возможностью перемещения относительно шестерни, а рычаги выполнены в виде двух шарнирно связанных звеньев, снабжены ограничителем и имеют зубчатый сектор, взаимодействующий с шестерней.

Совпадающими с предлагаемым устройством признаками являются каркас с элементами крепления к туловищу, шарнирно связанные с каркасом с помощью оси две пары тазобедренных и голеностопных рычагов, снабженных элементами крепления к ноге и опорная платформа, установленная на свободном конце голеностопного рычага. Рычаги выполнены в виде двух шарнирно связанных звеньев.

Данное устройство не обеспечивает поддержание массы тела пользователя, ввиду того, что используемые в нем шарнирные соединения обладают свойством полной подвижности, что не позволяет динамически создавать жесткую опорную конструкцию без использования мышечных усилий рук.

Известно также устройство для шагового перемещения (авт.св. СССР N 1669108, кл. А 63 В 25/10 от 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.

Совпадающими с предлагаемым устройством признаками являются 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 голеностопных рычагов с элементами крепления к ногам и шарнирно связанные со свободными концами голеностопных рычагов опорные платформы. Шарнирные узлы, соединяющие рычаги, снабжены механизмом фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением со средствами управления им.

Устройство обеспечивает поддержание и передвижение пользователя, но не обладает достаточным удобством применения, так как каркас не обладает достаточной жесткостью, а механизм фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением шарнирных узлов недостаточно надежен.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является шагопед (авт.св. СССР N 1814911, кл. А 63 В 25/00), содержащий каркас с элементами крепления к туловищу, шарнирно связанные с каркасом четыре пары рычагов, каждая из которых состоит из соединенных между собой посредством шарнирного узла тазобедренного и голеностопного рычагов, шарнирно связанные со свободными концами голеностопных рычагов опорные платформы для обуви, шарнирный узел с механизмом фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, кинематически связанные между собой полусферические зубчатые колеса, валы и барабан с тросом, а механизм фиксации шарнирного узла, соединяющего рычаги, выполнен в виде пары колес с храповым зубчатым зацеплением, кинематически связанным с подвижной платформой для обуви, при этом голеностопные рычаги выполнены с возможностью осевого перемещения.

Общими с предлагаемым техническим решением признаками являются каркас с элементами крепления к туловищу, шарнирно связанные с каркасом две пары рычагов, каждая из которых состоит из соединенных между собой посредством шарнирного узла тазобедренного и голеностопного рычагов и соединена одним концом с каркасом, а другим с опорной платформой для обуви, механизм фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, соединяющий рычаги, кинематически связанный с подвижной платформой.

Устройство конструктивно усложнено и требует постоянного использования мышечных сил рук для поддержания и перемещения массы тела. Это в свою очередь не позволяет использовать мышечную силу рук для выполнения других функций (например, переноса груза) одновременно с поддержанием массы тела и передвижением. Кроме того, механизм фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, соединяющий рычаги, также излишне усложнен.

В основу изобретения поставлена задача создать такое устройство для шагового перемещения, в котором введение карданного узла с механизмом фиксации с храповым зубчатым зацеплением в шарнирах, средств управления его подвижностью, дополнительных элементов крепления к туловищу, а также конструктивное изменение отдельных элементов каркаса, позволило получить устройство для шагового перемещения с возможностью поддержания груза на любой стадии его подъема и перемещения.

Поставленная задача решается устройством, содержащим каркас с элементами крепления к туловищу, шарнирно связанные с каркасом две пары рычагов, каждая из которых состоит из соединенных между собой посредством шарнирного узла тазобедренного и голеностопного рычагов и соединена одним концом с каркасом, а другим с опорной платформой для обуви, механизм фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, соединяющий рычаги, кинематически связан с подвижной платформой, каркас дополнительно содержат карданный узел с механизмами фиксации с храповым зубчатым зацеплением в шарнирах, "Т"-образную планку с костыликами и цилиндрическими накладками на коротких ее концах и соединенную длинным концом карданным узлом с задней частью седла, карданный узел выполнен в виде взаимно перпендикулярных шарниров переднего и боковых наклонов, при этом, шарниры боковых наклонов содержат механизмы фиксации с храповым зубчатым зацеплением с противоположным наклоном зубьев храповых колес и тяги управления, шарнирно соединенные одним концом с собачкой, а другим с рычагом, расположенным внутри цилиндрических накладок с возможностью продольного перемещения относительно их, шарнир переднего наклона содержит рычаг управления, шарнирно соединенный одним концом с корпусом карданного узла, а второй конец рычага имеет выступ, взаимодействующий с зубом, жестко закрепленным на внешней стороне длинного конца "Т"-образной планки, а каждый из механизмов фиксации шарнирного и карданного узлов содержит собачку с цилиндрической ножкой со штифтом и пружиной, собачка выполнена с возможностью осевого перемещения относительно корпуса узла, а элементы крепления к туловищу дополнительно содержат подтяжки, надколенные и голеностопные щитки, при этом пары тазобедренных и голеностопных рычагов и расположены между ног пользователя и шарнирно соединены с основанием седла.

Отличительными признаками предлагаемого устройства является то, что каркас дополнительно содержит карданный узел с механизмами фиксации с храповым зубчатым зацеплением в шарнирах, "Т"-образную планку с костыликами и цилиндрическими накладками на коротких ее концах и соединенную длинным концом карданным узлом с задней частью седла, карданный узел выполнен в виде взаимно перпендикулярных шарниров переднего и боковых наклонов, при этом, шарниры боковых наклонов содержат механизмы фиксации с храповым зубчатым зацеплением с противоположным наклоном зубьев храповых колес и тяги управления, шарнирно соединенные одним концом с собачкой, а другим с рычагом, расположенным внутри цилиндрических накладок с возможностью продольного перемещения относительно их, шарнир переднего наклона содержит рычаг управления, шарнирно соединенный одним концом с корпусом карданного узла, а второй конец рычага имеет выступ, взаимодействующий с зубом, жестко закрепленным на внешней стороне длинного конца "Т"-образной планки, а каждый из механизмов фиксации шарнирного и карданного узлов содержит собачку с цилиндрической ножкой со штифтом и пружиной, собачка выполнена с возможностью осевого перемещения относительно корпуса узла, а элементы крепления к туловищу дополнительно содержат подтяжки, надколенные и голеностопные щитки, при этом пары тазобедренных и голеностопных рычагов расположены между ног пользователя и шарнирно соединены с основанием седла.

Совокупность вышеперечисленных признаков предлагаемого устройства для шагового перемещения позволяет получить технический результат, заключающийся в том, что исключается возможность заклинивания механизмов фиксации шарниров карданного узла с храповым зубчатым зацеплением при подъеме и опускании груза, т.к. с помощью системы рычагов и тяг обеспечивается разблокирование храпового зубчатого зацепления, повышается надежность его функционирования за счет снятия динамических нагрузок с зубьев собачки, которая имеет возможность возвратного движения независимо от величины массы груза, воздействующей на карданный узел. Появляется возможность поддержания груза на любой стадии его подъема и перемещения (например, с положения наклона туловища вперед, стороны).

На фиг. 1 изображено устройство, закрепленное на теле пользователя, вид спереди; на фиг. 2 то же, вид сбоку; на фиг. 3 вид сзади; на фиг. 4 - рычаг управляющего воздействия с шарниром карданного узла; на фиг. 5 - кинематическая схема воздействия груза на карданный узел; на фиг. 6 - карданный узел, вид сбоку; на фиг. 7 шарнир карданного узла в сборе с левосторонним храповым зубчатым зацеплением; на фиг. 8 шарнир карданного узла в сборе с правосторонним храповым зубчатым зацеплением.

Устройство (фиг. 1, 2 и 3) содержит опорное седло 1 каркаса, тазобедренные рычаги 2 с надколенными щитками 3, шарнирные узлы 4 с механизмом фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением, голеностопные рычаги 5, голеностопные щитки 6 со стременем, элементы каркаса, состоящие из поддерживающей планки 7, карданного узла, включающего шарниры боковых наклонов 8 (фиг. 6) с механизмами фиксации с храповым зубчатым зацеплением 9, 10 (фиг. 2), шарнир передних наклонов 11 с механизмом фиксации с храповым зубчатым зацеплением 12 (фиг. 3), "Т"-образной планки 13 с костыликами 14 и зубом 15, цилиндрических накладок 16, механизмы фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением (фиг. 6, 7, 8), содержащие ось 17, зубчатое колесо 18 с левосторонним (правосторонним) наклоном зубьев, собачку 19 с левосторонним (правосторонним) наклоном зубьев с цилиндрической ножкой и штифтом 20, ползун 21, цилиндрические пружины 22, 23, крышку корпуса 24 с регулировочными отверстиями 25, корпус 26, (фиг. 5) тяги 27, 28, (фиг. 4, 5) рычаги 29, 30 с выступом 31, элементы крепления к туловищу, включающие треугольную рамку 32 (фиг. 1), поддерживающие ремни 33 и 34, поясной ремень 35, подтяжки 36. Устройство также содержит "Г"-образную тягу 37 (фиг. 6).

Работа устройства следующая. Тело пользователя крепится в тазобедренной области на седле 1 и/или в подмышечной области на костыликах планки 14. При этом, тело пользователя воздействует на костылики 14, карданный узел, "Т"-образную планки 13, 7, седло 1, опорные рычаги 2, шарнирные узлы 4, рычаги 5, щитки 6. Седло в паховой области крепится подтяжками 36, рамкой 32, ремнями 34, планкой 7. Нижние конечности крепятся к опорным рычагам 2, 5 щитками 3, 6 и ремнями 33. Под действием массы тела и груза, прикрепляемого на наружной поверхности цилиндрических накладок 16, происходит смещение вниз планки 13 и блокирование подвижности карданного узла. При этом, усилие через планки 7, седло 1, рычаги 2, шарнирные узлы 4, рычаги 5, щитки 6 передается на опорные платформы обуви. Произвольного изгиба элементов каркаса в шарнирах 11 и 8 карданного узла и шарнирных узлах 4 не происходит, т.к. под действием массы тела и груза блокируется подвижность этих узлов. Это происходит в связи с тем, что рычаги 5 и щитки 6 упираются через опорные платформы обуви в дорожное покрытие. Корпуса механизмов фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением 26, шарнирных карданных узлов 4, 8 и 11 перемещаются относительно ползуна 21, являющегося верхним концом рычагов 5 для шарнира 4 и нижним концом планки 13 для шарнира 11, нижним концом колеса 18 для шарнира 8. При этом, собачка 19 входит в зацепление с зубьями колеса 18, т. е. происходит одностороннее блокирование подвижности шарниров 4, 8, 11. Подвижность тазобедренных шарниров не блокируется. Поэтому остается свобода перемещения туловища относительно нижних конечностей только в тазобедренных суставах. Регулирование чувствительности механизма фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением шарнирных узлов осуществляется перемещением короткого конца "Г"-образной тяги 37 относительно крышки корпуса 24 и фиксацией его в соответствующем отверстии 25. В результате шарнирно связанная с длинным концом тяги 37 опорная платформа приподнимается относительно дорожного покрытия на высоту, достаточную для передачи минимального усилия опорной ноги в качестве управляющего воздействия на механизм фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением 4.

Таким образом, при вертикальном положении тела пользователя полностью разгружается скелетно-мышечный аппарат и лишь частично используются мышечные усилия для фиксирования подвижности в тазобедренных и голеностопных суставах. При этом, масса пользователя и груза поддерживается в тазобедренной и/или подмышечной областях на жестком каркасе, образованном планкой 13 с костыликами 14, шарнирами 8 и 11, планкой 1, рычагами 2 и 5, щитками 6.

Работа устройства в динамике отличается тем, что свобода перемещения нижних конечностей пользователя достигается перенесением тяжести на опорную ногу и освобождением за счет этого опорной платформы не опорной конечности. Соответственно, под действием усилия пружины 23, ползун 21 выталкивается из корпуса 26, а значит с помощью штифта выводится из зацепления с зубьями колеса 18 собачка 19, т.е. происходит разблокирование подвижности коленного шарнира 4 не опорной ноги и становится возможным естественное шаговое движение. При этом, тело пользователя и груз продолжают поддерживаться на жестком каркасе, образованном цилиндрическими накладками 16, костыликами 14, планкой 13, шарнирами 11, 8, планкой 7, седлом 1, рычагами 2 и 5, шарнирными узлами 4. При возникновении необходимости приседания, в том числе с грузом, центр тяжести переносится на носки обуви обеих ног. В результате шарнирные соединения коленных суставов обеих конечностей обретают полную подвижность и становится возможным осуществление приседания. При этом, на любой стадии перемещения (подъема, приседания, шагового перемещения) пользователь разгружает свой скелетно-мышечный аппарат за счет возможности (под действием массы тела, груза и незначительного мышечного усилия) программируемого управления подвижностью шарниров 4, 11 и 8. Наличие сферических подшипников в зоне взаимодействия седла 1 и рычагов 2 позволяет осуществлять естественные движения конечностям в тазобедренных суставах, а наличие стремян, помещаемых в обувь, снимает ограничение подвижности в голеностопных суставах. Наличие храповых механизмов в шарнирах 11 и 8 позволяет разгружать скелетно-мышечный аппарат пользователя пари подъеме и перемещении груза с наклонами корпуса. Так, при необходимости наклона корпуса пользователя, в т.ч. с грузом, закрепленном на накладках 16, пользователь несколько поднимает плечи, т.е. снимает туловище с костылик 14. При этом, рычагов 30 поворачивается в шарнире накладок 16 и перемещает вверх тяги 27 и 28, которые через штифты 20 выдвигают из зацепления с зубчатыми колесами 18 собачки 19, т.е. происходит разблокирование подвижности шарниров 8 и 11. В результате становится возможным наклон туловища вперед, либо в сторону. При необходимости распрямить туловище, в том числе с грузом, дополнительного движения плечами не требуется, т.к. остается свобода движению в сторону взаимного распрямления планок 7 и 13 относительно шарниров 11 и 8 за счет храпового эффекта собачек 19 и зубчатых колес 18 их механизмов фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением. При этом, на любой стадии подъема груза, при распрямлении туловища, есть возможность отдыха для мышц спины и живота, несущих основную нагрузку, за счет блокирования обратного движения шарниров 11 и 8 их храповыми механизмами. Это блокирование происходит за счет того, что при взаимном распрямлении корпуса 26 и рычага с зубчатым колесом 19 относительно оси 17, под действием усилия пружины 22 и зубьев колеса 18 собачка 19 с цилиндрическим хвостовиком и штифтом 20 перемещается в цилиндрическом тоннеле ползуна 21, совершая возвратно-поступательное движение, не препятствуя их распрямлению. При изменении направления движения рычагов шарнира, зубья собачки 19 клинят зубья колеса 18, тем самым блокируются складывание элементов каркаса под действием оси 17 двух храповых механизмов 9 и 10 с противоположным направлением зубьев, а также тем, и что зубья на колесах 18 выполнены только на определенном участке, становится возможным перевод туловища в вертикальное положение с положения бокового наклона в любую сторону. При этом, при достижении полного распрямления туловища, происходит блокирование подвижности этого шарнира, т. к. противоположно направленные зубчатые колеса 18, клинятся собачками 19 одновременно только при расположении собачек и рычагов с зубчатым колесом в одной плоскости.

Надежность функционирования механизма фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением шарнира 11 при подъеме груза с положения наклона туловища вперед обеспечивается тем, что груз воздействует на рычаг 29, расположенный вдоль планки 13 со стороны груза. Рычаг 29, поворачиваясь на оси корпуса шарнира 24, своим цилиндрическим выступом 31 воздействует на зуб 15, заставляя тем самим перемещаться ползун 21 с планкой 13 относительно корпуса шарнира, т. е. происходит включение механизма фиксации шарнира с храповым зубчатым зацеплением карданного узла. Наличие отверстий 25 в крышке 24 механизма фиксации шарнира с храповым зубчатым зацеплением шарнирного узла 4 позволяет регулировать натяжение тяги 37 с опорной платформой для обуви, чем повышается надежность функционирования механизма фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением.

Таким образом, по сравнению с известными техническими решениями, появляется возможность поддержания груза на любой стадии его подъема и перемещения (например, с положения наклона туловища вперед, стороны).