шарнирное сочленение экзоскелетона

Формула изобретения

Шарнирное сочленение экзоскелетона, содержащее каркас в виде верхнего и нижнего рычагов с элементами крепления, связанных шарнирным узлом, состоящим из муфты свободного хода с односторонним вращательным движением, и механизм фиксации обоймы муфты свободного хода, отличающееся тем, что наружная поверхность обоймы выполнена с зубьями, механизм фиксации обоймы муфты свободного хода содержит тягу с платформой на одном конце и собачкой на другом для взаимодействия с зубьями обоймы, платформа шарнирно соединена с нижним рычагом, а устройство дополнительно содержит щиток, расположенный между нижним рычагом и телом пользователя с возможностью вращения вокруг оси муфты свободного хода и имеющий ось, на которой расположены двусторонняя обгонная муфта с рычагом реверса и кинематически с ней связанная пара конических зубчатых колес домкрата, предназначенного для принудительного углового перемещения верхнего рычага относительно нижнего.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицинской и робототехнической технике, предназначенной для усиления физических возможностей человека.

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.

Совпадающим с предлагаемым устройством признаком является муфта свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения.

Данные механизмы не обеспечивают свободное угловое вращение обоймы относительно ступицы при отсутствии нагрузки на них, чем сужается область их применения.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

На фиг. 1 изображена кинематическая схема шарнирного сочленения экозосклетона с винтовым домкратом; на фиг. 2 - продольный разрез устройства.

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.

Работает устройство следующим образом.

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.

Таким образом, в статике экзоскелетон с использованием приведенного шарнирного сочленения первоначально выполняет только опорную функцию для конечности.

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.

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.