CZ309407B6

CZ309407B6 - Kloub se dvěma stupni volnosti pro použití v exoskeletech a rehabilitačních zařízeních

Info

Publication number: CZ309407B6
Application number: CZ2020-377A
Authority: CZ
Inventors: Stefan Grushko; Stefan Ing Grushko; Radim StrejÄŤek; Radim Ing Strejček
Original assignee: Vysoká Škola Báňská - Technická Univerzita Ostrava; Theosun technologies s.r.o
Priority date: 2020-06-28
Filing date: 2020-06-28
Publication date: 2022-11-30
Also published as: ES2944722T3; EP3936104A1; CZ2020377A3; EP3936104B1

Abstract

Kloub zahrnuje alespoň první a druhou kolejnici ve tvaru kruhových oblouků, které leží ve dvou navzájem kolmých rovinách, přičemž středy kružnic kruhových oblouků jsou různé a přímky procházející středy kružnic kruhových oblouků a kolmé na příslušné roviny určené kruhovými oblouky se protínají v jednom bodě, a dále na každé kolejnici pohyblivě uspořádaný jezdec, kdy buď kolejnice (3, 31, 32) jsou navzájem spolu pevně propojeny a jezdci (6, 7) jsou uzpůsobeni každý pro připojení k jiné vzájemně pohyblivé části exoskeletu, nebo jezdci (6, 7) jsou navzájem spolu pevně propojeni a kolejnice (3, 31, 32) jsou uzpůsobeny každá pro připojení k jiné vzájemně pohyblivé části exoskeletu.

Description

Kloub se dvěma stupni volnosti pro použití v exoskeletech a rehabilitačních zařízeních

Oblast techniky

Předkládaný vynález se týká oblasti robotických rehabilitačních zařízení. Konkrétně se jedná o dutý mechanický kloub se dvěma stupni volnosti pro použití v exoskeletech a rehabilitačních zařízeních.

Dosavadní stav techniky

Lékařské robotické exoskelety jsou zdravotnické prostředky určené pro použití u člověka za účelem mírnění nebo kompenzace poranění nebo zdravotního postižení, jímž je např. těžká až úplná ztráta hybnosti horních nebo dolních končetin. Používají se často jako rehabilitační nástroj. Významnou vlastností exoskeletů je, že dokáží dokonale, kontrolované a opakovaně provádět určený pohyb. Mechanické klouby exoskeletů musí odpovídat anatomicky kloubům rehabilitované části těla.

Převážná většina existujících exoskeletů neřeší kloub zápěstí, případně ho řeší pouze kloubem s jedním stupněm volnosti. Nevýhodou těchto řešení je nemožnost ohybu kloubu v jedné z přirozených os pohybu. Taková řešení jsou popsána, např. v patentových spisech CN 106994087, CN 104097213 nebo CN 102895091.

Ze stavu techniky, např. z patentových spisů CN 106473896, US 2011282253, WO 2015084177 a US 2015223959, jsou známa i řešení kloubů exoskeletů a rehabilitačních zařízení umožňující pohyb v kloubu ve dvou a více osách rotace. Tato řešení ale mechanicky nezajišťují stálou osu rotace kloubu, tzn., že při současné aktivaci pohonů zajištujících pohyb kloubu v osách může dojít k posunutí osy rotace mechanismu mimo osu rotace kloubu uživatele, což může mít za následek poranění uživatele. Zároveň takové konstrukční provedení kloubu neumožňuje přidání mechanických dorazů, které by ochránily kloub uživatele před nadměrným ohnutím. Ani řešení popsané v patentovém spisu US 2006128479 neumožňuje použití kloubu pro rehabilitací lidského kloubu, neboť v tomto případě se osy otáčení neprotínají v jednom bodě.

Sofistikovanější řešení exoskeletů, známá např. z patentových spisů CN 106038169, CN 105252522 nebo US 2012179075, pro realizaci kloubu se dvěma stupni volnosti s průnikem os odpovídajícím skutečnému bodu otáčení kloubu zápěstí uživatele používají dva obyčejné rotační klouby. Toto řešení má, v závislosti na konkrétním řešení konstrukce, za nevýhodu omezení maximálního natočení kloubu v jedné z os - palmámí a ulnámí dukce nebo pahnámí a dorzální flexe.

Existují také statická rehabilitační zařízení pro kloub zápěstí zajištující jednu nebo dvě osy rotace, ale jejich konstrukce principiálně nemůže být zmenšena do kompaktních mobilních rozměrů. Příklad takového provedení je popsán v patentovém spisu US 2015359697.

Další existující řešení rehabilitačních zařízení a exoskeletů zajišťující stálou osu rotace mechanického kloubu, totožnou s osou rotace kloubu uživatele, jsou známa např. z patentových spisů CN 101450484, CN 106112987 nebo CN 202537871 (U). Nevýhodou těchto řešení je ovšem konstrukční složitost použitých článkových/táhlových mechanizmů, a jejich velké rozměry.

Existující duté kardanové klouby nejsou pro použití u rehabilitačních zařízení a exoskeletů vhodné kvůli malému vnitřnímu prostoru kloubu pro ruku uživatele. Příkladem takového kloubu je např. řešení známé z EP 0007318.

-1 CZ 309407 B6

V exoskeletech a rehabilitačních zařízeních jek zajištění stálé osy rotace mechanického kloubu totožné s osou rotace kloubu uživatele používán také kolejnicový mechanismus. Nicméně všechna řešení, popsaná např. v patentových spisech CN 105726263, CN 204147236 a CN 106264983, používají kolejnicový mechanismus pro zajištění rotace pouze v jedné ose a nikdy v aplikaci ke kloubu zápěstí.

Řešení v patentovém spisu CN 106031669 využívá kolejnicové ozubení pro zajištění dvou os rotace v ramenu, ale konstrukce je principiálně odlišná.

Řešení v patentovém spisu CN 106491196 používá u kloubu zápěstí kombinaci dvou kruhových kolejnic, nicméně vzájemná poloha kolejnic neumožňuje jejich minimalizaci pro dosažení kompaktního řešení. Při minimalizaci by došlo ke kolizi se zápěstím, případně k omezení pohybu.

Žádné z doposud známých řešení tedy nepředstavuje kloub exoskeletu vhodný pro lidské zápěstí, případně další lidské klouby, který by současně odstraňoval výše uvedené nevýhody.

Podstata vynálezu

Cílem vynálezu je poskytnout kompaktní dutý kloub pro použití v exoskeletech a rehabilitačních zařízeních zajišťující vysoké rozsahy pohybu srovnatelné s pohyblivostí kloubu na lidské končetině, a to současně ve dvou osách a při zajištění toho, že osy rotace kloubu budou odpovídat osám rotace kloubu uživatele.

Uvedeného cíle je dosaženo pomocí kloubu se dvěma stupni volnosti pro použití v exoskeletech a rehabilitačních zařízeních pro propojení první a druhé vzájemně pohyblivé části exoskeletu, kdy kloub zahrnuje alespoň první a druhou kolejnici ve tvaru kruhových oblouků, které leží ve dvou navzájem kolmých rovinách, přičemž středy kružnic kruhových oblouků jsou různé, a dále na každé kolejnici pohyblivě uspořádaný jezdec, jehož podstata spočívá v tom, že buď kolejnice jsou navzájem spolu pevně propojeny a jezdci jsou uzpůsobeni každý pro připojení k jiné vzájemně pohyblivé části exoskeletu, nebo jezdci jsou navzájem spolu pevně propojeni a kolejnice jsou uzpůsobeny každá pro připojení k jiné vzájemně pohyblivé části exoskeletu.

Přímky procházející středy kružnic kruhových oblouků a kolmé na příslušné roviny určené kruhovými oblouky v podstatě tvoří osy rotace kloubu, kolem kterých vykonávají pohyb jezdci pohybující se po kolejnicích. Zajištění stejného místa otáčení kloubu uživatele i kloubu podle vynálezu je nezbytně nutné k zajištění bezpečného užívání, např. při rehabilitaci kloubu uživatele. Z tohoto pohledu je ideální, pokud je kloub se dvěma stupni volnosti podle vynálezu v podstatě vytvářen a fixován uživateli na míru tak, aby osy rotace kloubu podle vynálezu při užívání odpovídaly osám rotace kloubu uživatele. Tím je zajištěno to, že rotační pohyb vzájemně pohyblivých částí exoskeletu může být stejný jako pohyby částí těla uživatele, tedy nedochází k poškození kloubu jeho “roztažením” nebo vykloubením.

Na druhou stranu lze říci, že velká část kloubů v lidském těle je více méně sférická, proto i s ohledem na možnou sériovou výrobu je možné kloub podle vynálezu realizovat jako ideálně sférický tak, že přímky procházející středy kružnic kruhových oblouků a kolmé na příslušné roviny určené kruhovými oblouky se protínají v jednom bodě. V jiném uskutečnění se přímky procházející středy kružnic kruhových oblouků a kolmé na příslušné roviny určené kruhovými oblouky protínat nemusí v jednom bodě, ale mohou být od sebe nepatrně vzdáleny, kdy v praxi vzdálenost těchto přímek bude obvykle menší než poloměr největší kolejnice.

Střed kružnice jednoho z kruhových oblouků může ležet na přímce procházející středem kružnice druhého z kruhových oblouků, ovšem středy kružnic kruhových oblouků nemohou být totožné.

-2 CZ 309407 B6

Podstata vynálezu spočívá ve využití alespoň dvojího obloukového kolejnicového vedení, které má velký vnitřní prostor a umožňuje v tomto uskutečnění pohyb ve dvou osách s velkým rozsahem. Ke každému stupni volnosti tedy přísluší alespoň jedna kolejnice a po ní se pohybující jezdec. Přitom není podstatné, jaký profil budou mít použité kolejnice.

Vynález nabízí dvě základní alternativy. V prvním případě jsou spolu navzájem pevně propojeny kolejnice a jezdci uzpůsobení pro připojení k první a druhé vzájemně pohyblivé části exoskeletu se vůči sobě navzájem pohybují po drahách vymezených kolejnicemi. Ve druhém případě jsou spolu navzájem pevně propojeni jezdci a kolejnice uzpůsobené pro připojení k první a druhé vzájemně pohyblivé části exoskeletu se vůči sobě navzájem pohybují po drahách vymezených jezdci. Obě varianty ve srovnání se stavem techniky umožňují udělat kloub kompaktnější a zároveň zachovat největší rozsah pohybu, přičemž v případě použití dvou párů kolejnic popsaných níže lze zejména u varianty s navzájem pevně propojenými kolejnicemi zajistit maximální tuhost konstrukce (nejlepší rozložení síly).

Buď kolejnice, nebo jezdci jsou tedy uzpůsobeni pro připojení k první a druhé vzájemně pohyblivé části exoskeletu, kdy první část a druhá část exoskeletu slouží k upevnění k částem lidského těla, jejichž vzájemný bezpečný pohyb má kloub zajistit. Propojení kolejnic, nebo jezdců s prvními a druhými vzájemně pohyblivými částmi exoskeletu musí být pevné, čímž je zajištěna co nejvyšší stálost os kloubu. I první a druhá vzájemně pohyblivá část exoskeletu musí z důvodu zachování souososti exoskeletu s kloubem lidského těla být uzpůsobeny tak, aby se zabránilo jejich posunu vůči příslušné části lidského těla. První a druhá vzájemně pohyblivá část exoskeletu tak mohou mít podobu, např. stavitelné objímky, rukavice apod., jejíž vnitřní povrch dosedající na příslušné části lidského těla bude s výhodou vytvořen z biokompatibilního/bio-inertního materiálu.

Např. v případě kloubu lidské končetiny, konkrétně zápěstního kloubu, může být první část exoskeletu připojena před zápěstním kloubem na konci končetiny a fyzicky je možné ji považovat za jakousi rukavici, zatímco druhá část exoskeletu je uchycena za zápěstním kloubem končetiny, tedy na předloktí, např. pomocí stavitelné objímky. Vzájemné propojení první a druhé části exoskeletu pak zajišťuje kloub podle tohoto vynálezu, který je uspořádán mezi první a druhou částí exoskeletu, je s nimi pevně spojen a je tvořen soustavou tvarovaných kolejnic a na nich se pohybujících jezdců podle vynálezu.

Kloub podle tohoto vynálezu je mechanický a dutý. Poloměry kružnic kruhových oblouků kolejnic nemusí být shodné. Čím menší jsou poloměry těchto kružnic, tím menší je kloub a tím menší je prostor uvnitř kloubu. Volba poloměru kružnic tedy bude záviset na konkrétním využití kloubu. Poloměrům kružnic budou také odpovídat svým provedením jezdci.

Středové úhly kruhových oblouků kolejnic vymezují pracovní rozsah kloubu. Čím je středový úhel větší, přičemž u některých kloubů, např. kloubu ramene, může být větší než 180°, tím větší ohyb v příslušné ose kloub nabízí. Pohyb jezdce po kolejnici pro jednu nebo obě osy rotace může být omezen mechanickými dorazy provedenými na kolejnici. Při reálném použití kloubu v exoskeletu je možné tímto způsobem zajistit ochranu lidského kloubu proti zranění při nadměrném ohýbaní, proti kolizi s konstrukčními částmi kloubu podle tohoto vynálezu nebo proti vyjetí jezdce z kolejnice.

Jednotlivé díly kloubu podle tohoto vynálezu jsou v ideálním stavu tuhé, stejně jako první a/nebo druhá vzájemně pohyblivá část exoskeletu, která přichází do kontaktu s lidským tělem. Díky tomu nemůže dojít k posunutí os rotace kloubu podle vynálezu vůči kloubu lidského těla. Ovšem s ohledem na dosažení minimálního komfortu uživatele může být první a/nebo druhá vzájemně pohyblivá část exoskeletu provedena jako pružná.

Základní výhodné uskutečnění kloubu se dvěma stupni volnosti spočívá v tom, že je tvořeno první a druhou kolejnicí ve tvaru kruhových oblouků, které jsou spolu pevně propojeny a leží ve dvou navzájem kolmých rovinách, přičemž přímky procházející středy kružnic kruhových oblouků a

-3 CZ 309407 B6 kolmé na příslušné roviny určené kruhovými oblouky se protínají v jednom bodě, kdy první pohyblivá část exoskeletu je opatřena jezdcem, který se pohybuje po první kolejnici a druhá pohyblivá část exoskeletu je opatřena jezdcem, který se pohybuje po druhé kolejnici.

V dalším výhodném uskutečnění může kloub podle vynálezu zahrnovat k první a druhé kolejnici ve tvaru kruhových oblouků paralelní třetí a čtvrtou kolejnici, kdy první a třetí kolejnice leží ve dvou navzájem rovnoběžných rovinách, přičemž středy kružnic jejich kruhových oblouků leží na jedné přímce kolmé na příslušné roviny určené kruhovými oblouky a kružnice kruhových oblouků mají stejný poloměr, a druhá a čtvrtá kolejnice leží ve dvou navzájem rovnoběžných rovinách, přičemž středy kružnic jejich kruhových oblouků leží na jedné přímce kolmé na příslušné roviny určené kruhovými oblouky. Každá kolejnice, jak je uvedeno výše, tedy i třetí a čtvrtá, je opatřena dalším jezdcem, který se po ní pohybuje. I v tomto uskutečnění jsou navzájem spolu pevně propojeny buď jezdci, nebo kolejnice. V tomto paralelním uspořádání párových kolejnic se vnitřní prostor kloubu nachází mezi párovými kolejnicemi. Toto uskutečnění kloubu s párovými kolejnicemi („na obou stranách kloubu“) má tu výhodu, že se zátěž na kloub lépe rozkládá na obě strany mechanizmu a nevzniká nežádoucí kroutící moment deformující kolejnici. Bude tedy vhodné zejména pro větší klouby. Na druhou stranu kloub s nepárovými kolejnicemi umožňuje jednodušší nasazování na kloub uživatele. Je také kompaktnější a umožňuje větší rozsah pohybu, protože středové úhly kruhových oblouků kolejnic mohou být větší než 180°.

Jsou-li poloměry kružnic kruhových oblouků protilehlých nebo všech kolejnic shodné, pak mohou být kolejnice ležící ve dvou navzájem kolmých rovinách propojeny přímo a navazovat na sebe. Ve výhodném uskutečnění budou středové úhly kruhových oblouků 180° a kolejnice ve tvaru půlkružnice budou vzájemně propojeny a budou tak ležet na trojrozměrné uzavřené křivce a tvořit kompaktní celek. U výhodného uskutečnění kloubu s párovými kolejnicemi se stejnými poloměry kružnic kruhových oblouků se prakticky bude jednat o jednu kolejnici složenou ze čtyř segmentů ve tvaru půlkružnice, tzv. dílčích kolejnic. Kolejnice, zejména pokud jsou vymezeny středovými úhly kruhových oblouků menšími než 180°, nemusí být propojeny navzájem přímo. V takovém případě jsou propojeny pomocí tuhé kostry. Obdobně mohou být propojeny tuhou kostrou jezdci u uskutečnění, kde kolejnice uzpůsobené pro připojení k první a druhé vzájemně pohyblivé části exoskeletu se vůči sobě navzájem pohybují po drahách vymezených jezdci.

Časté bude uskutečnění, kdy stejný poloměr budou mít jen kružnice kruhových oblouků protilehlých kolejnic, zatímco kolejnice na sebe kolmé budou vykazovat navzájem různé poloměry.

V ještě výhodnějším uskutečnění jsou všechny čtyři kolejnice provedeny ve formě čtyř půlkružnic propojených navzájem do trojrozměrného uzavřeného tvaru tak, že roviny uspořádání sousedních půlkružnic mezi sebou svírají úhel 90°.

V jiném výhodném uskutečnění dutého kloubu podle vynálezu mohou být dílčí kolejnice navzájem pevně propojeny přímou kostrou, která může vykazovat stejný profil, jako kolejnice. Dílčí kolejnice v tomto uskutečnění mohou být dvě nebo tři, z toho dvě párové. Roviny uspořádání obou dílčích kolejnic v provedení se dvěma kolejnicemi, nebo samostatné dílčí kolejnice a dvou párových kolejnic v provedení se třemi kolejnicemi mezi sebou svírají úhel 90°. Z jednoho konce nebo v případě, že středový úhel kruhového oblouku nepárové kolejnice má 180°, z obou konců nepárové kolejnice v přímém směru vystupuje přímá kostra o délce, která se rovná poloměru kruhových oblouků dílčích kolejnic, které na kostru navazují, takže dílčí kolejnice a kostra leží na souvislé trojrozměrné křivce a v důsledku tvoří kompaktní celek. Každá kolejnice je opatřena jezdcem a tito jezdci slouží k napojení na první a druhou vzájemně pohyblivou část exoskeletu. Toto uskutečnění lze s výhodou použít u kloubů, kde je zajišťován ohyb v rozsahu menším než 180°, a to z napřímené polohy pouze v jednom směru, např. pro použití v exoskeletech a rehabilitačních zařízeních pro podporu kloubu lokte.

Navržená konstrukce kloubu spolu s variantami provedení kolejnic umožňuje různé způsoby realizace posunu jezdce po kolejnici s využitím různých pohonů umožňujících přenášení síly nebo

-4 CZ 309407 B6 točivého momentu, např. elektrickým rotačním nebo lineárním motorem, piezo motorem, fluidním pohonem apod. Díky pohonu je možné vzájemný pohyb jezdce a kolejnice ovlivňovat. Pohyb jezdce po kolejnici může být kluzný-translační nebo může mít jezdec rotační vedení a po kolejnici se odvalovat, např. pomocí systému válečků, případně ve výhodném uskutečnění s využitím ozubeného převodu, kdy je jak jezdec nebo jeho část, např. ozubené kolo, tak kolejnice opatřena ozubením. Uskutečnění s ozubením umožňuje jednoduchou realizaci fixování kloubu v zadané pozici a přesné pohánění, přesnější, než např. v případě třecího/kluzného kontaktu. Při vzájemném pohybu kolejnice a jezdce by mohlo být také využito principu šnekového soukolí. Spojení jezdce a kolejnice může být ale také kluzné a vykazovat nízký součinitel tření. V takovém případě musí případný vzájemný pohyb kloubem spojených částí zajistit jiný mechanismus. Pohonem, který není umístěn přímo v kontaktu s kolejnicí, může být např. systém lan připojených k jednotlivým částem kloubu nebo exoskeletu.

Dutý kloub podle vynálezu může být také opatřen senzorem nebo senzory snímajícími pohyby jezdců po kolejnicích. Senzory mohou být různého tvaru a využívat různých principů. Je možné použít rotační senzory, např. potenciometry, Hallův senzor atd. Je také možné implementovat lineární nebo zaoblené senzory, např. magnetické pásky. Dalším vhodným typem mohou být inkrementální-optické senzory atd. Pomocí informací získaných ze senzorů je možné efektivně řídit pohon zajišťující vzájemný pohyb jezdce a kolejnice. Je také možné na základě snímání pohybu ruky uživatele využít kloub k řízení robota.

Pro použiti v pasivních exoskeletech, nebo rehabilitačních zařízeních nemusí být kloub vybaven žádným pohonem. Naopak pasivní exoskelet může, např pružinou, třením, nebo jiným mechanismem, klást odpor a tím umožnit procvičení příslušné části lidského těla. Případně může takové uskutečnění zajišťovat „podporu“, např. končetiny při větším zatížení operátorů na výrobní lince.

Kolejnice s jezdcem se mohou v základním provedení vzájemně volně pohybovat. Jezdec nebo kolejnice mohou být ve výhodném uskutečnění opatřeny fixačním prostředkem, který zajišťuje jezdec v dané poloze na kolejnici a brání tak pohybu v jedné nebo obou osách. Takový fixační prostředek může být zámkovým, třecím či jiným mechanismem. Tímto způsobem může být řešen čistě polohovatelný exoskelet, který drží části lidského těla v požadovaném úhlu.

Kolejnice, případně kostra spojující kolejnice nebo jezdce, mohou být rozebíratelné nebo rozdělitelné na části a spojené kloubem, což umožní snazší nasazení exoskeletu s kloubem na části lidského těla, jejichž vzájemný pohyb má kloub zajistit, např. nasazení kloubu na zápěstí uživatele. Aby poloha dutého kloubu podle vynálezu po nasazení exoskeletu lépe odpovídala bodu otáčení lidského kloubu, např. zápěstí uživatele, mohou být první a druhá vzájemně pohyblivá část exoskeletu, ke kterým je kloub připojen, vyřešeny konstrukčně tak, aby bylo možné je prodlužovat a zkracovat, mohou být např. provedeny jako teleskopické, nebo vybaveny pohyblivými objímkami. Takové uskutečnění bude zejména výhodné, pokud se bude jednat o exoskelet nebo rehabilitační zařízení ve zdravotnickém středisku, kde pro každého uživatele bude muset být rozměr vzájemně pohyblivých částí exoskeletu nastaven individuálně. V případě potřeby zajištění většího vnitřního prostoru mechanického kloubu je třeba zajistit větší poloměry kružnic kruhových oblouků kolejnic. Navržení mechanismu, který by umožnil dynamicky měnit poloměry kružnic kruhových oblouků kolejnic je obtížné. Alternativou může být v případě potřeby výměna celých kolejnic, např. ze sady standardizovaných rozměrů S, M, U, XU atd.

Vzájemně pohyblivé části kloubu, tedy jezdci a kolejnice, případně kostra, mohou být vyrobeny z různých konstrukčních materiálů, např. plastů vysoké tvrdosti, lehkých slitin kovů apod. Konkrétní pevnosti materiálu závisí na požadované aplikaci kloubu, na předpokládaném zatížení kloubu při normálním využití, případně na požadované váze exoskeletu. V případě, že se jedná o exoskelet zvyšující sílu uživatele, například pro přenos těžkých břemen, tak pevnost jednotlivých části kloubu musí být značně vyšší, např. výroba z lehkých slitin kovu než u exoskeletu pro rehabilitační

-5 CZ 309407 B6 účely, kdy si vystačíme s pevným plastem. Případné odvalovací válečky, ozubená soukolí apod. mohou být vyrobena standardními postupy.

Kolejnice a další části kloubu mohou být vyrobeny různými způsoby. Může být použito svařování jednoduchých laserem vypálených prvků, aditivní technologie jako je 3D tisk apod. V případě použití plastů vysoké tvrdosti mohou být prvky odlité do forem a následně vyfrézované. Možná je také výroba vstřikolisem a následné obrábění ani nemusí být potřeba.

Dalšími výhodami předkládaného vynálezu v kombinaci s předchozím jsou možnost přenášení zátěže z lidského kloubu na konstrukci zařízení, možnost pohánění pohybu kloubu, např. pro účely rehabilitace, nebo zesílení pohybu uživatele, možnost přidání mechanických dorazů v jednotlivých osách pohybu pro ochranu uživatelského kloubu před nadměrným ohnutím a celkové rozvržení mechanizmu umožňující provedení exoskeletu jako „nositelný“ kompaktní systém.

Řešení je především navržené pro použití jako kloub zápěstí exoskeletu, nicméně stejný princip konstrukce může být použitý i u dalších kloubů končetin exoskeletu. To je umožněno také tím, že kloub podle vynálezu poskytuje mechanické zaručení stálosti os otáčení, velký vnitřní prostor kloubu, kdy za pohybu kloubu nedochází ke kolizi mechanických části kloubu s končetinou uživatele ani při maximálním ohybu.

Kloub podle tohoto vynálezu lze použít v mnoha kloubech exoskeletu nebo rehabilitačního zařízení, které v případě použití kombinace obyčejných rotačních kloubů vedou ke snížení maximálního možného rozsahu pohybu kloubu a konstrukčně složitým řešením s mnoha stupni volnosti, což vede k složitějšímu ovládaní kinematiky systému. Je možné jej také kombinovat s dalšími mechanismy, například s řešením konstrukce exoskeletu pro dlaň (rukavice s prsty pro rehabilitaci), loket a rameno, které zajistí potřebnou mobilitu.

Dalším předmětem vynálezu je rehabilitační zařízení pro rehabilitační účely, které je opatřeno alespoň jedním kloubem popsaným výše. Řešení kloubu je především navržené pro použití jako kloub zápěstí exoskeletu, nicméně stejný princip konstrukce může být použit v dalších kloubech končetin exoskeletu, např. u kyčle, kolena, kotníku atd.

Objasnění výkresů

Podstata vynálezu je dále objasněna na příkladech jeho uskutečnění, které jsou popsány s využitím připojených výkresů, kde:

Na obrázku 1 je axonometrický pohled zachycující uskutečnění dutého kloubu podle tohoto vynálezu se dvěma páry navzájem propojených dílčích kolejnic podle tohoto vynálezu při rehabilitaci kloubu zápěstí, kde středové úhly kruhových oblouků všech dílčích kolejnic mají velikost 180°.

Na obrázku 2 je pohled shora zachycující totéž uskutečnění dutého kloubu podle tohoto vynálezu při rehabilitaci kloubu zápěstí.

Na obrázku 3 je pohled shora zachycující totéž uskutečnění dutého kloubu podle tohoto vynálezu při rehabilitaci kloubu zápěstí, kdy dlaň je vychýlena vpravo.

Na obrázku 4 je boční pohled zachycující totéž uskutečnění dutého kloubu podle tohoto vynálezu při rehabilitaci kloubu zápěstí, kdy dlaň ruky je vychýlena dolů.

Na obrázku 5 je boční pohled zachycující totéž uskutečnění dutého kloubu podle tohoto vynálezu při rehabilitaci kloubu zápěstí, kdy dlaň ruky pokračuje ve stejném směru jako předloktí.

-6 CZ 309407 B6

Na obrázku 6 je axonometrický pohled zachycující uskutečnění dutého kloubu se dvěma navzájem propojenými dílčími kolejnicemi podle tohoto vynálezu při rehabilitaci kloubu zápěstí, kde středové úhly kruhových oblouků obou dílčích kolejnic mají velikost 180° a kdy dlaň ruky je vychýlena dolů.

Na obrázku 7 je axonometrický pohled zachycující uskutečnění dutého kloubu se dvěma páry kolejnic podle tohoto vynálezu při rehabilitaci kloubu zápěstí, kde středové úhly kruhových oblouků všech kolejnic mají velikost menší než 180° ajezdci jsou propojeny kostrou.

Na obrázku 8 je boční pohled zachycující uskutečnění dutého kloubu z obrázku 7, kde dlaň ruky je vychýlena nahoru.

Na obrázku 9 je axonometrický pohled zachycující uskutečnění dutého kloubu se dvěma navzájem propojenými dílčími kolejnicemi podle tohoto vynálezu při rehabilitaci kotníku, kde středové úhly kruhových oblouků obou dílčích kolejnic mají velikost 180°.

Na obrázku 10 je axonometrický pohled zachycující uskutečnění dutého kloubu z obrázku 9 s mírně propnutou špičkou.

Na obrázku 11 je axonometrický pohled zachycující uskutečnění dutého kloubu se dvěma navzájem propojenými dílčími kolejnicemi podle tohoto vynálezu při rehabilitaci kyčelního kloubu, kde středový úhel kruhového oblouku jedné z dílčích kolejnic má velikost 180°.

Na obrázku 12 je axonometrický pohled zachycující uskutečnění dutého kloubu se dvěma navzájem propojenými dílčími kolejnicemi podle tohoto vynálezu při rehabilitaci lokte, kde středové úhly kruhových oblouků obou dílčích kolejnic mají velikost 180°.

Příklady uskutečnění vynálezu

Vynález bude dále objasněn na příkladech uskutečnění s odkazem na příslušné výkresy.

Prvním příkladem uskutečnění je kloub pro použití v exoskeletech a rehabilitačních zařízeních pro podporu zápěstního kloubu. Axonometrický pohled zachycující uskutečnění tohoto dutého kloubu se dvěma páry navzájem propojených kolejnic je znázorněn na obr. 1. Kloub propojuje první a druhou vzájemně pohyblivou část 4, 5 exoskeletu, kdy první část 4 exoskeletu je připojena k prvnímu pohybovanému předmětu 1, tedy před zápěstním kloubem na konci končetiny v oblasti dlaně nebo prstů, zatímco druhá část 5 exoskeletu je uchycena k druhému pohybovanému předmětu 2, konkrétně tedy za zápěstním kloubem končetiny na předloktí. Obě části 4,5 exoskeletu mají podobu objímky. Na první části 4 exoskeletu jsou v opozici vůči sobě vytvořeni dva první jezdci 6, zatímco druhá část 5 exoskeletu je opatřena dvěma protilehlými druhými jezdci 7. Kloub podle tohoto uskutečnění dále zahrnuje první, druhou, třetí a čtvrtou dílčí kolejnici ve tvaru kruhových oblouků, kdy první a třetí dílčí kolejnice leží ve dvou navzájem rovnoběžných rovinách, přičemž středy kružnic jejich kruhových oblouků leží na jedné přímce kolmé na příslušné roviny určené kruhovými oblouky a kružnice kruhových oblouků mají stejný poloměr, a druhá a čtvrtá dílčí kolejnice leží ve dvou navzájem rovnoběžných rovinách, přičemž středy kružnic jejich kruhových oblouků leží na jedné přímce kolmé na příslušné roviny určené kruhovými oblouky. Po každé dílčí kolejnici, jak je znázorněno na obr. 1, se po pohybuje jeden první nebo druhý jezdec 6, 7, který je opatřen sestavou odvalovacích prvků umožňující pohyb dílčí kolejnice relativně k příslušné první nebo druhé části 4, 5 exoskeletu. Poloměry kružnic kruhových oblouků kolejnic jsou shodné a současně středové úhly kruhových oblouků mají 180°. Roviny uspořádání sousedních dílčích kolejnic mezi sebou svírají úhel 90°. Dílčí kolejnice ve tvaru půlkružnice tak leží na trojrozměrné uzavřené křivce a tvoří kompaktní kolejnici 3. Na obr. 2 je pak pohled shora a na obr. 5 je boční pohled zachycující totéž uskutečnění dutého kloubu podle tohoto vynálezu.

-7 CZ 309407 B6

Popsaný dutý kloub vykazuje dva stupně volnosti, jak je naznačeno na obr. 3 a 4, kdy při správném nasazení dutého kloubu na kloub zápěstí jsou osy pohybu zápěstí uživatele totožné s osami pohybu dutého kloubu. Na obrázku 3 je pohled shora zachycující totéž uskutečnění dutého kloubu při rehabilitaci kloubu zápěstí, kdy současně s pohybem prvních jezdců 6 po kolejnici 3 je dlaň uživatele vychýlena vpravo o úhel a. Na obrázku 4 je boční pohled zachycující totéž uskutečnění dutého kloubu podle tohoto vynálezu při rehabilitaci kloubu zápěstí, kdy současně s pohybem druhých jezdců 7 po kolejnici 3 je dlaň ruky uživatele vychýlena dolů.

Alternativní uskutečnění kloubu pro použití v exoskeletech a rehabilitačních zařízeních pro podporu zápěstního kloubu je axonometricky znázorněno na obr. 6. Toto uskutečnění se od předchozího liší v tom, že na první části 4 exoskeletu je vytvořen jeden první jezdec 6 a na druhé části 5 exoskeletu jeden druhý jezdec 7, kdy každý jezdec 6, 7, je opatřen sestavou odvalovacích prvků umožňující pohyb dílčí kolejnice relativně k příslušné první nebo druhé části 4, 5 exoskeletu. Dílčí kolejnice jsou v tomto uskutečnění pouze dvě, kdy roviny uspořádání sousedních dílčích kolejnic mezi sebou svírají úhel 90°, poloměry kružnic kruhových oblouků dílčích kolejnic jsou shodné a současně středové úhly kruhových oblouků mají 180°. Dílčí kolejnice ve tvaru půlkružnice tak leží na trojrozměrné křivce a tvoří kompaktní kolejnici 3. Díky pohybu druhého jezdce 6 po kolejnici 3 je dlaň ruky uživatele vychýlena dolů.

Na obrázku 7 je axonometrický pohled zachycující další alternativní uskutečnění kloubu pro použití v exoskeletech a rehabilitačních zařízeních pro podporu zápěstního kloubu. Kloub propojuje první a druhou vzájemně pohyblivou část 4, 5 exoskeletu v podobě objímek. Na první části 4 exoskeletu jsou v opozici vůči sobě vytvořeny dvě první kolejnice 31, zatímco druhá část 5 exoskeletu je opatřena dvěma protilehlými druhými kolejnicemi 32. Tyto první a druhé kolejnice 31 a 32 mají tvar kruhových oblouků, kdy obě první kolejnice 31 leží ve dvou navzájem rovnoběžných rovinách, přičemž středy kružnic jejich kruhových oblouků leží na jedné přímce kolmé na příslušné roviny určené kruhovými oblouky a kružnice kruhových oblouků mají stejný poloměr, a obě druhé kolejnice 31 leží ve dvou navzájem rovnoběžných rovinách, přičemž středy kružnic jejich kruhových oblouků leží na jedné přímce kolmé na příslušné roviny určené kruhovými oblouky. Po každé dílčí kolejnici se po pohybuje jeden první nebo druhý jezdec 6, 7, přičemž všichni jezdci 6, 7 jsou navzájem propojeni kostrou 8. Středové úhly kruhových oblouků prvních a druhých kolejnic 31 a 32 jsou menší než 180°, čímž je omezen rozsah pohybu kloubu, a roviny uspořádání prvních a druhých kolejnic 31 a 32 mezi sebou svírají úhel 90°. Na Obr. 8 je pak boční pohled zachycující totéž uskutečnění dutého kloubu dle tohoto vynálezu při rehabilitaci kloubu zápěstí, kdy současně s pohybem druhých jezdců 7 po druhých kolejnicích 32 je dlaň ruky uživatele vychýlena vzhůru o úhel a.

Čtvrtým příkladem uskutečnění je kloub pro použití v exoskeletech a rehabilitačních zařízeních pro podporu kloubu kotníku. Axonometrický pohled zachycující uskutečnění tohoto dutého kloubu se dvěma navzájem propojenými dílčími kolejnicemi je znázorněn na obr. 9. Kloub propojuje první a druhou vzájemně pohyblivou část 4, 5 exoskeletu, kdy první část 4 exoskeletu je připojena k prvnímu pohybovanému předmětu 1, tedy před kotníkem na konci končetiny v oblasti chodidla nebo prstů, zatímco druhá část 5 exoskeletu je uchycena k druhému pohybovanému předmětu 2, konkrétně tedy za kotníkem na lýtku. Obě části 4, 5 exoskeletu mají podobu objímky. Dílčí kolejnice jsou v tomto uskutečnění pouze dvě, kdy roviny uspořádání sousedních dílčích kolejnic mezi sebou svírají úhel 90°, poloměry kružnic kruhových oblouků dílčích kolejnic jsou shodné a současně středové úhly kruhových oblouků mají 180°. Dílčí kolejnice ve tvaru půlkružnice tak leží na trojrozměrné křivce a tvoří kompaktní kolejnici 3. Na první části 4 exoskeletu je vytvořen jeden první jezdec 6 a na druhé části 5 exoskeletu jeden druhý jezdec 7, kdy každý jezdec 6, 7, je opatřen sestavou odvalovacích prvků umožňující pohyb příslušné dílčí kolejnice relativně k odpovídající první nebo druhé části 4, 5 exoskeletu.

Na obrázku 10 je axonometrický pohled zachycující uskutečnění dutého kloubu z obrázku 9

-8 CZ 309407 B6 s mírně propnutou špičkou, čehož je dosaženo díky pohybu druhého jezdce 7 po kolejnici 3.

Pátým příkladem uskutečnění je kloub pro použití v exoskeletech a rehabilitačních zařízeních pro podporu kyčelního kloubu. Axonometrický pohled zachycující uskutečnění tohoto dutého kloubu se dvěma navzájem propojenými dílčími kolejnicemi je znázorněn na obr. 11. Kloub propojuje první a druhou vzájemně pohyblivou část 4, 5 exoskeletů, kdy první část 4 exoskeletů je připojena k prvnímu pohybovanému předmětu 1, v tomto případě stehnu, zatímco druhá část 5 exoskeletů je uchycena k druhému pohybovanému předmětu 2, konkrétně k trupu, např. v oblasti pasu. Obě části 4, 5 exoskeletů mají podobu objímky. Dílčí kolejnice jsou v tomto uskutečnění pouze dvě, kdy roviny uspořádání sousedních dílčích kolejnic mezi sebou svírají úhel 90° a poloměry kružnic kruhových oblouků dílčích kolejnic jsou shodné. Středové úhly kruhových oblouků mají různou velikost, u dílčí kolejnice blíže trupu na boku je středový úhel 180°, u dílčí kolejnice blíže stehnu je středový úhel menší, neboť při unožování není požadovaný takový rozsah pohybu. Dílčí kolejnice ve tvaru půlkružnice tak leží na trojrozměrné křivce a tvoří kompaktní kolejnici 3. Na první části 4 exoskeletů je vytvořen jeden první jezdec 6 a na druhé části 5 exoskeletů jeden druhý jezdec 7, kdy každý jezdec 6, 7, je opatřen sestavou odvalovacích prvků umožňující pohyb příslušné dílčí kolejnice relativně k odpovídající první nebo druhé části 4, 5 exoskeletů.

Šestým příkladem uskutečnění je kloub pro použití v exoskeletech a rehabilitačních zařízeních pro podporu kloubu lokte. Axonometrický pohled zachycující uskutečnění tohoto dutého kloubu se dvěma navzájem pevně propojenými dílčími kolejnicemi je znázorněn na obr. 12. Dílčí kolejnice jsou v tomto uskutečnění pouze dvě, kdy roviny uspořádání obou dílčích kolejnic mezi sebou svírají úhel 90°, poloměry kružnic kruhových oblouků dílčích kolejnic jsou shodné a současně středové úhly kruhových oblouků mají 180°. Dílčí kolejnice ve tvaru půlkružnice jsou propojeny krátkou přímou kostrou o délce poloměru kruhových oblouků a o stejném profilu, jaký mají kolejnice, takže obě dílčí kolejnice a kostra leží na souvislé trojrozměrné křivce a v důsledku tvoří kompaktní celek. Na první části 4 exoskeletů je vytvořen jeden první jezdec 6 a na druhé části 5 exoskeletů jeden druhý jezdec 7, kdy každý jezdec 6, 7, je opatřen sestavou odvalovacích prvků umožňující pohyb příslušné dílčí kolejnice relativně k odpovídající první nebo druhé části 4, 5 exoskeletů. Tento kloub propojuje první a druhou vzájemně pohyblivou část 4, 5 exoskeletů, kdy první část 4 exoskeletů je připojena k prvnímu pohybovanému předmětu 1, tedy k předloktí, zatímco druhá část 5 exoskeletů je uchycena k druhému pohybovanému předmětu 2, konkrétně tedy k nadloktí. Obě části 4, 5 exoskeletů mají podobu objímky.

Průmyslová využitelnost

Předkládaný vynález kloubu exoskeletů lze využít pro sestrojení kompaktnějších nositelných exoskeletů, například pro zvýšení síly pohybu uživatele, jeho ochrany nebo rehabilitace při současném zajištění volného pohybu uživatele.

Princip konstrukce lze použít v mnoha kloubech exoskeletů, které v případě použití kombinací obyčejných rotačních kloubů vedou ke konstrukčně složitým řešením s mnoha stupni volnosti, což vede k složitějšímu ovládání kinematiky systému.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Kloub se dvěma stupni volnosti pro použití v exoskeletech a rehabilitačních zařízeních pro propojení první a druhé vzájemně pohyblivé části exoskeletu, kdy kloub zahrnuje alespoň první a druhou kolejnici ve tvaru kruhových oblouků, které leží ve dvou navzájem kolmých rovinách, přičemž středy kružnic kruhových oblouků jsou různé, a dále je na každé kolejnici pohyblivě uspořádaný jezdec vyznačující se tím, že buď kolejnice (3, 31, 32) jsou navzájem spolu pevně propojeny a jezdci (6, 7) jsou uzpůsobeni každý pro připojení k jiné vzájemně pohyblivé části exoskeletu, nebo jezdci (6, 7) jsou navzájem spolu pevně propojeni a kolejnice (3, 31, 32) jsou uzpůsobeny každá pro připojení k jiné vzájemně pohyblivé části exoskeletu.
2. Kloub podle nároku 1, vyznačující se tím, že k první a druhé kolejnici (3, 31, 32) ve tvaru kruhových oblouků zahrnuje paralelní třetí a čtvrtou kolejnici (3,31, 32), kdy první a třetí kolejnice (31) leží ve dvou navzájem rovnoběžných rovinách, přičemž středy kružnic jejich kruhových oblouků leží na jedné přímce kolmé na příslušné roviny určené kruhovými oblouky a kružnice kruhových oblouků mají stejný poloměr, a druhá a čtvrtá kolejnice (32) leží ve dvou navzájem rovnoběžných rovinách, přičemž středy kružnic jejich kruhových oblouků leží na jedné přímce kolmé na příslušné roviny určené kruhovými oblouky, a kdy třetí a čtvrtá kolejnice (3, 31, 32) je opatřena dalším po ní pohybovatelným jezdcem (6, 7).
3. Kloub podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že poloměry kružnic kruhových oblouků kolejnic (3, 31, 32) jsou shodné.
4. Kloub podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že kolejnice (3, 31, 32) jsou navzájem spolu pevně propojeny, nebo jezdci (6, 7) jsou navzájem spolu pevně propojeni kostrou (8).
5. Kloub podle nároku 3, vyznačující se tím, že středové úhly kruhových oblouků jsou právě 180° a kolejnice (3, 31, 32) ve tvaru půlkružnice leží na trojrozměrné uzavřené křivce a tvoří kompaktní celek.
6. Kloub podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že přímky procházející středy kružnic kruhových oblouků a kolmé na příslušné roviny určené kruhovými oblouky se protínají v jednom bodě.
7. Rehabilitační zařízení, vyznačující se tím, že je opatřené kloubem podle kteréhokoliv z předchozích nároků.

10 výkresů

Seznam vztahových značek:

1 První pohybovaný předmět

2 Druhý pohybovaný předmět

3 Kolejnice

31 První a třetí kolejnice

32 Druhá a čtvrtá kolejnice

4 První část exoskeletu

5 Druhá část exoskeletu

6 První jezdec

7 Druhý jezdec

8 Kostra