RU2681115C2 - Exoskeleton - Google Patents
Exoskeleton Download PDFInfo
- Publication number
- RU2681115C2 RU2681115C2 RU2017100635A RU2017100635A RU2681115C2 RU 2681115 C2 RU2681115 C2 RU 2681115C2 RU 2017100635 A RU2017100635 A RU 2017100635A RU 2017100635 A RU2017100635 A RU 2017100635A RU 2681115 C2 RU2681115 C2 RU 2681115C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- support device
- leg
- supporting
- exoskeleton
- legs
- Prior art date
Links
- 244000246386 Mentha pulegium Species 0.000 claims 1
- 235000016257 Mentha pulegium Nutrition 0.000 claims 1
- 235000004357 Mentha x piperita Nutrition 0.000 claims 1
- 235000001050 hortel pimenta Nutrition 0.000 claims 1
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 abstract description 17
- 210000002435 tendon Anatomy 0.000 abstract description 4
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000399 orthopedic effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 210000002414 leg Anatomy 0.000 description 59
- 210000003423 ankle Anatomy 0.000 description 8
- 210000001503 joint Anatomy 0.000 description 7
- 210000003127 knee Anatomy 0.000 description 7
- 241000272165 Charadriidae Species 0.000 description 6
- 210000002683 foot Anatomy 0.000 description 6
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 6
- 210000000544 articulatio talocruralis Anatomy 0.000 description 5
- 210000004394 hip joint Anatomy 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 210000004197 pelvis Anatomy 0.000 description 4
- 230000037396 body weight Effects 0.000 description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 210000001624 hip Anatomy 0.000 description 3
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 3
- 244000309466 calf Species 0.000 description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 210000003414 extremity Anatomy 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 230000001012 protector Effects 0.000 description 2
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 2
- XUKUURHRXDUEBC-KAYWLYCHSA-N Atorvastatin Chemical compound C=1C=CC=CC=1C1=C(C=2C=CC(F)=CC=2)N(CC[C@@H](O)C[C@@H](O)CC(O)=O)C(C(C)C)=C1C(=O)NC1=CC=CC=C1 XUKUURHRXDUEBC-KAYWLYCHSA-N 0.000 description 1
- 208000010428 Muscle Weakness Diseases 0.000 description 1
- 206010028372 Muscular weakness Diseases 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000036461 convulsion Effects 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 230000005021 gait Effects 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 230000009191 jumping Effects 0.000 description 1
- 230000037230 mobility Effects 0.000 description 1
- 210000003314 quadriceps muscle Anatomy 0.000 description 1
- 210000002027 skeletal muscle Anatomy 0.000 description 1
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 1
- 210000000689 upper leg Anatomy 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H3/00—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Pain & Pain Management (AREA)
- Physical Education & Sports Medicine (AREA)
- Rehabilitation Therapy (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Rehabilitation Tools (AREA)
- Footwear And Its Accessory, Manufacturing Method And Apparatuses (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к травматологии и ортопедии, а также может быть использовано в туризме и спорте.The invention relates to medical equipment, namely to traumatology and orthopedics, and can also be used in tourism and sports.
Перед обозначением технической проблемы, рассмотрим общие принципы передвижения человека. Согласно биомеханике, основной механизм, определяющий эффективность ходьбы - это перемещение общего центра масс (ОЦМ). Полный цикл ходьбы - период двойного шага - складывается для каждой ноги из фазы опоры (нога является опорной или толчковой) и фазы переноса конечности (нога является маховой). В точности, когда одна нога является маховой и совершает маятниковое движение, как физический (подвешенный) маятник, из крайнего заднего положения в крайнее переднее положение, другая нога является опорной и в то же самое время совершает движение обратного (перевернутого по принципу метронома) маятника (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A5%D0%BE%D0%B4%D1%8C%D0%B1%D0%B0%D1%87%D0%B5%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D0%BA%D0%B0. см. фиг. 1). Такое одновременное движение опорной и маховой ноги при обычной ходьбе приводит к тому, что ОЦМ перемещается по синусоиде как в вертикальной плоскости в среднем на 5 см, так и в горизонтальной плоскости в среднем на 2,5 см (В.И. Дубровский, В.Н. Федорова. Биомеханика: Учеб. для сред и высш. учеб. заведений. Издательство «Владос Пресс», Москва, 2003., с. 315, см. фиг. 2). Известно, что маятник имеет максимум потенциальной энергии в высшей точке и превращает ее в кинетическую, отклоняясь вниз. В начале фазы опоры, как только ОЦМ в тазу начинает подниматься, кинетическая энергия движения превращается в потенциальную, и наоборот, переходит в кинетическую, когда ОЦМ в тазу опускается в конце фазы опоры. Таким образом, сохраняется около 65% энергии. Мышцы включаются для перемещения ОЦМ из нижнего положения в верхнее, восполняют утраченную энергию, которая составляет около 35% (https://ru.wikipedia.ora/wiki/%D0%A5%D0%BE%D0%B4%D1%8C%D0%B1%D0%B0%D1%87%D0%B5%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D0%BA%D0%B0).Before identifying a technical problem, consider the general principles of human movement. According to biomechanics, the main mechanism that determines the effectiveness of walking is the movement of a common center of mass (JCM). The complete walking cycle — the double-step period — is added for each leg from the support phase (the leg is the support or jerk) and the limb transfer phase (the leg is the flywheel). Exactly, when one leg is swinging and makes a pendulum movement, like a physical (suspended) pendulum, from the extreme rear position to the extreme forward position, the other leg is the supporting one and at the same time makes the movement of the reverse (inverted by the metronome principle) pendulum ( https://en.wikipedia.org/wiki/%D0%A5%D0%BE%D0%B4%D1%8C%D0%B1%D0%B0%D1%87%D0%B5%D0%BB%D0 % BE% D0% B2% D0% B5% D0% BA% D0% B0. See Fig. 1). Such simultaneous movement of the supporting and swinging legs during normal walking leads to the fact that the MTC moves along the sinusoid both on the vertical plane by an average of 5 cm, and in the horizontal plane by an average of 2.5 cm (V.I. Dubrovsky, V. N. Fedorova, Biomechanics: Textbook for mediums and higher education institutions, Vlados Press Publishing House, Moscow, 2003., p. 315, see Fig. 2). It is known that the pendulum has a maximum of potential energy at the highest point and turns it into kinetic, deviating down. At the beginning of the support phase, as soon as the MTC in the pelvis begins to rise, the kinetic energy of the movement turns into potential energy, and vice versa, passes into the kinetic energy when the MTC falls into the pelvis at the end of the support phase. Thus, about 65% of the energy is saved. Muscles are turned on to move the JCM from the lower to the upper position, make up for the lost energy, which is about 35% (https: //ru.wikipedia.ora/wiki/%D0%A5%D0%BE%D0%B4%D1%8C% D0% B1% D0% B0% D1% 87% D0% B5% D0% BB% D0% BE% D0% B2% D0% B5% D0% BA% D0% B0).
В итоге, обычная ходьба представляет собой последовательность шагов, в реализации которых лежит маятниковое движение ног при использовании большого числа мышц разгибателей (трехглавая мышца голени, четырехглавая мышца бедра, большая и средняя ягодичные мышцы и др.) и сгибателей ноги (передняя большеберцовая мышца, полуперепончатая мышца и др.), а также голеностопных и тазобедренных суставов. При обычном шаге, для перемещения маховой ноги из заднего положения в переднее без касания земли, она усилием мышц сгибается в колене и приподнимается, а затем разгибается и выносится вперед. Одновременно с этим, из позиции, когда обе ноги проходят мимо друг друга, опорная нога усилием икроножной мышцы приподнимает вес всего тела вверх и делает толчок вперед с последующим снижением. Таким образом, каждый шаг представляет собой подъем массы тела и небольшое падение сверху вниз со значительной нагрузкой на мышцы, суставы и позвоночник, что является вредным особенно после 40-45 лет.As a result, ordinary walking is a sequence of steps in the implementation of which there is a pendulum movement of the legs when using a large number of extensor muscles (triceps muscle of the leg, quadriceps muscle of the thigh, large and middle gluteus muscles, etc.) and flexors of the leg (anterior tibial muscle, semi-membranous muscle, etc.), as well as ankle and hip joints. In the usual step, to move the fly leg from the rear to the front position without touching the ground, it bends at the knee with the force of the muscles and lifts, and then it is unbent and extended forward. At the same time, from the position when both legs pass each other, the supporting leg lifts the weight of the whole body up with the calf muscle and makes a push forward with a subsequent decrease. Thus, each step represents an increase in body weight and a slight drop from top to bottom with a significant load on the muscles, joints and spine, which is harmful especially after 40-45 years.
При слабости мышц, болезнях голеностопных, тазобедренных суставов, позвоночника, а также повреждении сухожилий передвижение вызывает дискомфорт и болезненные ощущения, что приводит к необходимости использования дополнительного оборудования и отражается, в том числе, на ухудшении психоэмоционального состояния человека, особенно пожилых людей. Также усталость от нагрузки и дискомфортные ощущения могут возникнуть и у здоровых людей, например, при пеших походах на дальние расстояния.With muscle weakness, diseases of the ankles, hips, spine, and also damage to tendons, movement causes discomfort and pain, which leads to the need to use additional equipment and is reflected, among other things, in worsening of the psychoemotional state of a person, especially older people. Also, fatigue from the load and discomfort can occur in healthy people, for example, when hiking over long distances.
В подобных случаях могут использоваться конструкции экзоскелетов, которые снижают нагрузку с мышц и суставов и позволяют оставаться на своих ногах и осуществлять передвижение самостоятельно без привлечения посторонней помощи. Однако известные устройства являются громоздкими и дорогостоящими и не всегда подходят для использования, как в медицинских целях, так и для занятия спортом и туризмом.In such cases, exoskeleton constructs can be used that reduce the load on the muscles and joints and allow you to stay on your own legs and move independently without outside help. However, the known devices are cumbersome and expensive and are not always suitable for use, both for medical purposes, and for sports and tourism.
Известны конструкции экзоскелетов (патент РФ №2598124, 20.09.2016 г., патент РФ №2567589, 10.11.2015 г.), которые содержат корсет, закрепляемый на тазобедренной части, связанный посредством стоек, подшипников и других дополнительных элементов с конструкцией, закрепляемой на голеностопной части.Exoskeleton designs are known (RF patent No. 2598124, 09/20/2016, RF patent No. 2567589, 11/10/2015), which contain a corset mounted on the hip part, connected by struts, bearings and other additional elements to the structure mounted on ankle part.
Указанные конструкции позволяют снизить нагрузку с тазобедренных и голеностопных суставов, однако являются сложными, громоздкими и имеют высокую стоимость. При этом снижение нагрузки на суставы происходит за счет обеспечения вертикального положения тела и сковывания движения таза и ног по всей их длине, что не позволяет полноценно снизить нагрузку с мышц, а также ограничивает применение конструкции только медицинским назначением для реабилитации конечностей, не позволяя использовать ее при занятии туризмом и спортом.These designs can reduce the load from the hip and ankle joints, however, they are complex, bulky and have a high cost. At the same time, the load on the joints is reduced by ensuring the vertical position of the body and fettering the movement of the pelvis and legs along their entire length, which does not fully reduce the load on the muscles, and also limits the use of the design only to medical purposes for the rehabilitation of limbs, not allowing it to be used for engaging in tourism and sports.
Известна конструкция упругих элементов (патент РФ №125745, 10.03.2013 г.), прикрепляемых на подошву ботинок, включающих дугообразные упругие пластины, расположенные вогнутостями навстречу друг другу, совмещенные концы которых закреплены на усилительном элементе в виде пластины, размещенной между упругими элементами и выполненной на концах с гнездами для в них концов этих пластин, при этом верхнерасположенная упругая пластина прикреплена к подошве ботинка, на наружной поверхности нижнерасположенной упругой пластины прикреплен протектор для повышения сцепления, для подошвы каждого ботинка применена опорная пластина, прикрепляемая к подошве и выполненная с элементами прикрепления к ней верхнерасположенной упругой пластины, при этом опорная пластина, также конструкция имеет усилительные элементы, съемные протекторы, упругие упоры для равномерного распределения нагрузки по поверхности подошвы и пластин.A known design of elastic elements (RF patent No. 125745, 03/10/2013), attached to the sole of the shoes, including arcuate elastic plates located concave towards each other, the combined ends of which are fixed to the reinforcing element in the form of a plate placed between the elastic elements and made at the ends with sockets for the ends of these plates in them, while the upper-lying elastic plate is attached to the sole of the boot, on the outer surface of the lower-lying elastic plate, a protector for the grip is increased, a sole plate is applied to the sole of each shoe, which is attached to the sole and made with elements for attaching an upper elastic plate to it, while the support plate also has reinforcing elements, removable protectors, elastic stops for even distribution of load on the surface of the sole and plates .
Указанная конструкция упругих элементов также является сложной, предназначенной для выдерживания больших динамических нагрузок при активных видах движения, связанных с прыжками, в том числе, при выполнении акробатических упражнений. В данном случае преобладает фаза опоры с накоплением потенциальной энергии при сжатии пластин с последующей реализацией шага за счет прыжка при использовании кинетической энергии выпрямленных пластин. Таким образом, подобная конструкция не позволяет снизить нагрузку на голеностопные и тазобедренные суставы и поэтому не может быть использована в медицинских целях для помощи пациентам с ограниченными возможностями перемещения.The specified design of elastic elements is also complex, designed to withstand large dynamic loads during active types of movement associated with jumping, including when performing acrobatic exercises. In this case, the support phase predominates with the accumulation of potential energy during compression of the plates with the subsequent implementation of the step due to the jump when using the kinetic energy of the straightened plates. Thus, such a design does not reduce the load on the ankle and hip joints and therefore cannot be used for medical purposes to help patients with limited mobility.
Известна конструкция пассивного экзоскелета голеностопа (патент РФ №166055, 10.11.2016 г.), принятого за наиболее близкий аналог к заявляемому решению, содержащего подошву, две пары голеностопных рычагов, элементов его крепления к голени, при этом голеностопные рычаги выполнены сборными из двух частей - дугообразных жестких конструкционных элементов, соединенных между собой посредством шарниров с элементами фиксации, к основаниям нижнего дугообразного конструкционного элемента и к задней части подошвы жестко прикреплены два пружинных амортизатора, а фиксация на ноге пассивного экзоскелета голеностопа осуществляется за счет дуги жестко прикрепленной к верху подошвы в ее передней части и дугообразных жестких конструкционных элементов и ременного соединения, жестко закрепленного на фронтальной поверхности верхней части пассивного экзоскелета голеностопа.The known design of the passive exoskeleton of the ankle (RF patent No. 166055, 10.11.2016), adopted as the closest analogue to the claimed solution containing a sole, two pairs of ankle arms, elements of its attachment to the lower leg, while the ankle arms are made in two-piece teams - arcuate rigid structural elements interconnected by hinges with fixing elements, to the bases of the lower arcuate structural element and to the rear of the sole two spring dampers are rigidly attached Ator and fixation on passive exoskeleton foot ankle is carried out by arc rigidly attached to the top of the sole in its front portion and rigid arcuate structural members and the belt compound are rigidly fixed to the front surface of the upper ankle passive exoskeleton.
Указанная конструкция позволяет снизить нагрузку с нижней части ноги - икроножной мышцы и голеностопного сустава, - что позволяет использовать ее для медицинских целей и при пеших походах. Однако в данном случае сохраняется принцип передвижения опорной и маховой ноги, описанный выше, при котором ОЦМ значительно перемещается в вертикальной плоскости (на 4-5 см), что не позволяет снизить нагрузку с мышц и суставов и приводит к ограничению применения конструкции при наличии у пациентов болевых ощущений в данной области.This design allows you to reduce the load from the lower part of the leg - the calf muscle and ankle joint - which allows it to be used for medical purposes and when hiking. However, in this case, the principle of movement of the supporting and flywheel legs, as described above, is preserved, in which the OCM moves significantly in the vertical plane (4-5 cm), which does not reduce the load on the muscles and joints and leads to a limitation of the use of the design in patients pain in this area.
Задачей изобретения является получение универсальной конструкции экзоскелета, которая может быть использована в медицине, спорте и туризме.The objective of the invention is to obtain a universal design of the exoskeleton, which can be used in medicine, sports and tourism.
Техническим результатом изобретения является снижение нагрузки на мышцы ног, суставы и сухожилия за счет выравнивания траектории движения ОЦМ при усовершенствовании механизма маятникового движения опорной и маховой ноги.The technical result of the invention is to reduce the load on the muscles of the legs, joints and tendons due to the alignment of the trajectory of the JMC while improving the mechanism of the pendulum movement of the supporting and fly legs.
Технический результат достигается при использовании экзоскелета, содержащего верхнее и нижнее опорные устройства, расположенные под стопой человека и соединенные между собой посредством устройства, имеющего возможность сжатия и раздвижения в вертикальной плоскости с фиксацией положения опорных устройств в сжатом или раздвинутом положениях, которое выполнено в виде шарнирно-подвижной опоры, соединенной одним концом с нижним опорным устройством с возможностью перемещения, и закрепленную другим концом на верхнем опорном устройстве с возможностью вращения вокруг поперечной оси, при этом нижнее опорное устройство выполнено с возможностью выдвижения в вертикальной плоскости относительно верхнего опорного устройства, при переносе ноги из крайнего заднего положения в крайнее переднее положение.The technical result is achieved by using an exoskeleton containing the upper and lower supporting devices located under the foot of a person and interconnected by means of a device having the ability to compress and expand in a vertical plane with fixing the position of the supporting devices in a compressed or extended position, which is made in the form of a hinge a movable support connected at one end to the lower support device with the possibility of movement, and fixed to the other end on the upper support device with the possibility of rotation around the transverse axis, while the lower supporting device is made with the possibility of extension in a vertical plane relative to the upper supporting device, when moving the legs from the extreme rear position to the extreme front position.
Под опорным устройством в контексте настоящего изобретения понимается устройство, предназначенное для опоры и переноса веса человека при ходьбе с целью перемещения.Under the support device in the context of the present invention refers to a device designed to support and carry the weight of a person when walking with the aim of moving.
Верхнее опорное устройство может представлять собой платформу, соединяемую с подошвой обуви с повторением ее контура или подошву обуви. Также верхнее опорное устройство может иметь устройства его закрепления на стопе ноги или обуви (ремни, резинки и т.д.).The upper support device may be a platform connected to the sole of the shoe with the repetition of its contour or the sole of the shoe. Also, the upper support device may have devices for securing it to the foot of the foot or shoe (belts, elastic bands, etc.).
Нижнее опорное устройство может представлять собой платформу для перемещения по земной поверхности, часть лыжного крепления, наконечник ходули, и т.д., контактирующий с земной поверхностью.The lower support device may be a platform for moving on the earth's surface, part of the ski mount, the tip of the stilts, etc., in contact with the earth's surface.
В зависимости от роста человека нижнее опорное устройство после сжатия может выдвигаться в вертикальной плоскости относительно верхнего опорного устройства на 8-15 см для полного исключения касания земли маховой ногой с выпрямленным коленом при ее переносе из крайнего заднего положения (позиция а на фиг. 4) в крайнее переднее положение (позиция а2 на фиг. 4).Depending on the height of the person, the lower support device after compression can be extended in the vertical plane relative to the upper support device by 8-15 cm to completely exclude touching the ground with the fly leg with the straightened knee when moving it from the extreme rear position (position a in Fig. 4) extreme forward position (position a2 in Fig. 4).
Наличие верхнего и нижнего опорных устройств, соединенных друг с другом посредством устройства, имеющего возможность сжатия и раздвижения в вертикальной плоскости с фиксацией положения опорных устройств в сжатом и раздвинутом положении, а также закрепление верхнего опорного устройства на подошве обуви или стопе ноги позволяет:The presence of upper and lower supporting devices connected to each other by means of a device having the ability to compress and expand in a vertical plane with fixing the position of the supporting devices in a compressed and extended position, as well as fixing the upper supporting device on the sole of the shoe or foot, allows you to:
- сжимать опорные устройства друг с другом с фиксацией данного положения, что позволяет маховой ноге без соприкосновения с землей совершить движение из крайнего заднего положения (позиция а на фиг. 4) вперед в крайнее переднее положение (позиция а2 на фиг. 4);- compress the supporting devices with each other with the fixation of this position, which allows the fly leg to move from its extreme rear position (position a in Fig. 4) forward to its extreme forward position (position a2 in Fig. 4) without contacting the ground;
- раздвинуть опорные устройства на 8-15 см друг от друга с фиксацией данного положения в крайнем переднем положении маховой ноги (позиция а2 на фиг. 4) для обеспечения возможности переноса на нее веса человека в момент, когда маховая нога становится опорной;- push the supporting devices apart by 8-15 cm from each other with the fixation of this position in the extreme front position of the fly leg (position a2 in Fig. 4) to ensure that the weight of the person can be transferred to it at the moment when the fly leg becomes support;
- совершить одновременное маятниковое движение маховой ногой, задающее смещение ОЦМ в вертикальной плоскости, которое противоположно направлено вертикальному смещению, задаваемому при обратном маятниковом движении опорной ноги, с целью компенсации смещения ОЦМ, которое имело место при обычной ходьбе.- make a simultaneous pendulum movement with the swing leg, specifying the displacement of the MTC in the vertical plane, which is opposite to the vertical displacement specified during the reverse pendulum movement of the supporting leg, in order to compensate for the displacement of the MTC that occurred during normal walking.
Таким образом, опорная нога располагается на возвышении относительно линии земли, задаваемом за счет зафиксированного раздвинутого положения опорных устройств, а маховая нога в то же самое время при сжатых друг с другом опорных устройствах в свободном подвешенном состоянии с прямым коленом опускается относительно опорной ноги на 4-7 см и совершает свободное маятниковое движение без соприкосновения с землей из крайнего заднего положения в крайнее переднее положение (см. фиг. 4).Thus, the supporting leg is located on an elevation relative to the ground line, set due to the fixed extended position of the supporting devices, and the fly leg at the same time when the supporting devices are compressed with each other in a free suspended state with a straight knee is lowered relative to the supporting leg by 4- 7 cm and makes a free pendulum movement without touching the ground from the extreme rear position to the extreme front position (see Fig. 4).
В итоге, ходьба человека с использованием заявляемого экзоскелета позволяет:As a result, walking a person using the inventive exoskeleton allows you to:
- выровнять траекторию движения ОЦМ;- align the trajectory of the JCM;
- свести к минимуму нагрузку на мышцы за счет свободного маятникового движения маховой ноги с прямым коленом;- to minimize the load on the muscles due to the free pendulum movement of the fly leg with a straight knee;
- максимально снизить нагрузку на суставы (голеностопный, тазобедренный и др.), позвоночник и сухожилия- minimize the load on the joints (ankle, hip, etc.), spine and tendons
- сохранить привычный принцип маятникового движения и усовершенствовать его с достижением высокого показателя КПД.- maintain the familiar principle of pendulum motion and improve it with the achievement of a high efficiency indicator.
Изобретение поясняется следующими фигурами.The invention is illustrated by the following figures.
На фиг. 1 показан принцип обратного маятника при переносе опорной и маховой ноги при простой ходьбе.In FIG. Figure 1 shows the principle of the reverse pendulum during the transfer of the supporting and flywheel legs during simple walking.
На фиг. 2 показан движение ОЦМ по синусоиде при простой ходьбе.In FIG. Figure 2 shows the motion of the JMC along a sinusoid with simple walking.
На фиг. 3 показана конструкция заявляемого экзоскелета.In FIG. 3 shows the design of the inventive exoskeleton.
На фиг. 4 показана конструкция гидравлического цилиндра.In FIG. 4 shows the construction of a hydraulic cylinder.
На фиг. 5 показан перенос маховой ноги с прямым коленом из крайнего заднего положения в крайнее переднее положение с выравниванием траектории движения ОЦМ при движении по ровной поверхности.In FIG. Figure 5 shows the transfer of a fly leg with a straight knee from the extreme rear position to the extreme front position with alignment of the trajectory of the MTC when moving on a flat surface.
На фиг. 6 показан перенос маховой ноги с прямым коленом из крайнего заднего положения в крайнее переднее положение с выравниванием траектории движения ОЦМ при движении с горы.In FIG. Figure 6 shows the transfer of a fly leg with a straight knee from the extreme rear position to the extreme front position with the alignment of the trajectory of the MTC when moving from the mountain.
На фиг. 7 показан применение экзоскелета для ходьбы на ходулях.In FIG. 7 shows the use of an exoskeleton for walking on stilts.
На фиг. 8 показан применение экзоскелета для лыжного спорта.In FIG. Figure 8 shows the use of an exoskeleton for skiing.
Экзоскелет содержит верхнее опорное устройство 1, закрепляемое на подошве обуви или стопе ноги, нижнее опорное устройство 2, при этом верхнее опорное устройство 1 соединено с нижним опорным устройством 2 посредством устройства 3, имеющего возможность сжатия и раздвижения в вертикальной плоскости с фиксацией положения опорных устройств 1 и 2 в сжатом и раздвинутом положении (фиг. 3).The exoskeleton contains an upper supporting
Устройство 3, имеющее возможность сжатия и раздвижения в вертикальной плоскости с фиксацией положения опорных устройств 1 и 2 в сжатом и раздвинутом положениях может представлять собой конструкцию, содержащую гидравлический цилиндр опорных устройств 4, расположенный преимущественно вертикально в задней части экзоскелета (в области пятки), направляющую 5, имеющую жесткость и расположенную преимущественно вертикально в передней части экзоскелета (в области носка ноги), прижимной рычаг 6, расположенный между опорными устройствами 1 и 2, фиксатор прижимного рычага 7 и электронно-измерительный блок 8, расположенные на верхнем опорном устройстве 1.The
Один конец прижимного рычага 6, расположенный на нижнем опорном устройстве 2, представляет собой шарнирно-подвижную опору, имеющую горизонтальное перемещение. Второй конец прижимного рычага 6 закреплен на верхнем опорном устройстве 1 с возможностью вращения вокруг поперечной оси.One end of the clamping
Под направляющей 5, имеющей жесткость, понимается устройство в форме трубки, стержня, пластины и т.д., состоящее из двух частей, где одна из частей может выдвигаться параллельно второй его части (http://konstruirovanie-mashin.ru/glava-konstruirovanie-kharakternykh-uzlov-mekhanizmov/napravlyayushchie)A
Гидравлический цилиндр опорных устройств 4 соединен с гидравлическим цилиндром прижимного механизма 9, соединенным с фиксатором прижимного механизма 10 и одним из концов пружины прижимного механизма 11, другой конец которой соединен с концом прижимного рычага 6, расположенным на верхнем опорном устройстве 1, и фиксатором прижимного рычага 7 (фиг. 3).The hydraulic cylinder of the supporting
Гидравлический цилиндр прижимного механизма 9 содержит внешний корпус 12, внутренний корпус 13, механический клапан 14, электрический клапан 15, пружину механического клапана 16, прокладку 17 (фиг. 4).The hydraulic cylinder of the
Электронно-измерительный блок 8 состоит из полнофункционального трехосевого акселерометра ADXL335, микроконтроллера ATmega2560, детектора сигнала беспроводной сети Wi-Fi или Bluetooth.The
Также устройство 3 может быть реализовано посредством использования любых технических решений, основанных на известных существующих принципах (механическом, гидравлическом, пневмо-гидравлическом и других, включая комбинированные), которые позволяют сжимать и раздвигать опорные устройства 1 и 2 в вертикальной плоскости с их фиксацией в сжатом и раздвинутом положениях. При этом подобные технические решения могут иметь как внешнее расположение относительно опорных устройств 1 и 2 (как показано на фиг. 3), так и быть расположенными между ними.Also,
Принцип движения с использованием экзоскелета по ровной поверхности приведен на фиг. 5 (показан один из вариантов реализации решения, когда экзоскелет закреплен на подошве обуви). При начале движения у опорной (позиция в на фиг. 5) и маховой ноги (крайнее заднее положение в позиции а на фиг. 5) нижнее опорное устройство 2 экзоскелета раздвинуто от верхнего опорного устройства 1 на расстояние 8-15 см, которое фиксируется механическим клапаном 14. Когда давление массы тела человека полностью переносится на опорную ногу (позиция в на фиг. 5), на верхнее опорное устройство 1 маховой ноги (позиция а1 на фиг. 5) давит только вес самой маховой ноги. В зависимости от массы тела человека пружина механического клапана 16 открывает механический клапан 14 и дает возможность от давления сработать пружине 11 и прижимному рычагу 6 и прижать нижнее опорное устройство 2 к верхнему 1. Освобожденная от опоры, расслабленная и выпрямленная в колене маховая нога из крайнего заднего положения (позиция а на фиг. 5), не соприкасаясь с поверхностью земли, совершает маятниковое движение вперед на длину шага в крайнее переднее положение (позиция а2 на фиг. 5). В этом положении по сигналу трехосевого акселерометра и импульсу микроконтроллера из электронно-измерительного блока 8 фиксатор прижимного механизма 10 освобождает пружину прижимного механизма 11 и дает возможность нижнему опорному устройству 2 под собственным весом опуститься на землю. В момент, когда маховая нога переходит в опорную, и давление на верхнее опорное устройство 1 превышает вес маховой ноги, от давления гидравлической жидкости механический клапан 14 сжимает пружину механического клапана 16 зафиксировав верхнее 1 и нижнее 2 опорные устройства в разведенном состоянии. При дальнейшем переносе веса на ногу, когда давление в гидравлическом цилиндре опорных устройств 4 достигает 50-80% массы тела, гидравлическая жидкость переходит в гидравлический цилиндр прижимного механизма 9, который сжимает пружину прижимного механизма 11, способную прижать нижнее опорное устройство 2 весом 150-200 г для нового цикла.The principle of motion using an exoskeleton on a flat surface is shown in FIG. 5 (one embodiment of the solution is shown when the exoskeleton is attached to the sole of the shoe). At the beginning of the movement at the supporting (position in Fig. 5) and the fly leg (extreme rear position in position a in Fig. 5), the lower
Таким образом, маховая нога завершает свое свободное маятниковое движение и становится опорной ногой, расположенной на возвышении относительно линии земли на 8-15 см. Затем рассмотренный цикл повторяется для той ноги, которая из маховой стала опорной.Thus, the fly leg completes its free pendulum movement and becomes a supporting leg, located on an elevation relative to the earth line by 8-15 cm. Then, the considered cycle is repeated for the leg that has become support from the fly leg.
В итоге, маховая нога при использовании заявляемого экзоскелета опускается ниже линии опоры опорной ноги (уровень верхнего опорного устройства 1 при раздвинутом положении опорных устройств 1 и 2) в отличие от обыкновенной походки, отклонив вниз тазобедренный сустав на 6-7 см, что компенсирует и выравнивает траекторию движения ОЦМ. При таком свободном маятниковом движении ног энергия затрачивается только на сопротивление силы трения в отличие от обычной ходьбы.As a result, the fly leg when using the inventive exoskeleton falls below the support line of the supporting leg (the level of the upper supporting
Данный экзоскелет может работать также в пассивном режиме при спуске с горы. Так, при спуске с горы обычным шагом опорная нога несет большую нагрузку, совершая приседания, при вертикальном снижении. Согласно заявляемому изобретению, для спуска с горы необходимо определить изменение горизонтального уровня точки переноса маховой ноги. На фиг. 6 приведен пример, где изменение уровня определяет закрепленный на поясе лазерный дальномер 18 с источником питания, который, определив изменение расстояния, посредством проводного соединения или беспроводной технологии передает сигнал для открытия электрического клапана 15. При спуске, в момент когда маховая нога в движении сравнивается (позиция а1 на фиг. 6) с опорной (позиция в на фиг. 6) и продолжает движение в крайнее переднее положение (позиция а2 на фиг. 6) открытый электрический клапан 15 дает возможность телу человека плавно опуститься на необходимую величину, оставив небольшое расстояние между верхним 1 и нижним 2 опорными устройствами, необходимое для начала нового движения вперед маховой ноги из крайнего заднего положения (позиция а на фиг. 6).This exoskeleton can also work in passive mode when descending from a mountain. So, when descending from the mountain in the usual step, the supporting leg carries a large load, performing squats, with a vertical decrease. According to the claimed invention, for descent from the mountain it is necessary to determine the change in the horizontal level of the transfer point of the fly leg. In FIG. Figure 6 shows an example where the level change is determined by a belt-mounted
Если на нижнее опорное устройство 2 подать энергию, способную при раздвижении опорных устройств 1 и 2 приподнимать тело человека, данная конструкция может работать по принципу аналогичному спуске с горы как активный экзоскелет с возможностью подниматься в гору или по лестнице.If energy is supplied to the
При использовании конструкции экзоскелета для ходьбы на ходулях верхнее опорное устройство 1 представляет собой платформу, которая закрепляется на подошве обуви, а нижнее опорное устройство 2 представляет собой наконечник ножки ходули, который контактирует с земной поверхностью. При этом гидравлический цилиндр опорных устройств 4 располагаются в ножках ходулей (фиг. 7). Процесс перемещения маховой ноги в данном случае совпадает с процессом перемещением маховой ноги согласно фиг. 5.When using the design of the exoskeleton for walking on stilts, the
Предложенная конструкция экзоскелета может быть использована для крепления на лыжи. При этом верхнее опорное устройство 1 представляет собой платформу, которая закрепляется на подошве обуви, а нижнее опорное устройство может являться частью лыжного крепления (фиг. 8). Процесс перемещения маховой ноги в данном случае совпадает с процессом перемещением маховой ноги согласно фиг. 5. На указанно фигуре показан вариант, согласно которому опорные устройства 1 и 2 имеют шарнирно неподвижное крепление, а устройство 3, имеющее возможность сжатия и раздвижения в вертикальной плоскости с фиксацией положения опорных устройств 1 и 2 в сжатом и раздвинутом положении, имеет шарнирно подвижное крепление с фиксаторами положения в виде зубчатых храповиков.The proposed exoskeleton design can be used for mounting on skis. In this case, the
Предложенная конструкция пассивного экзоскелета имеет простую, легкую по весу и эффективную конструкцию, что дает следующие преимущества при ходьбе:The proposed design of the passive exoskeleton has a simple, light in weight and effective design, which gives the following advantages when walking:
1. Значительно уменьшает нагрузку на большую группу мышц ног.1. Significantly reduces the load on a large group of leg muscles.
2. Снижает нагрузка и давление на голеностопный и тазобедренный суставы.2. Reduces stress and pressure on the ankle and hip joints.
3. Обеспечивает возможность сделать устройство недорогим - ниже минимальной категории 1000-10000 $, что делает ее общедоступной.3. Provides the ability to make the device inexpensive - below the minimum category of $ 1000-10000, which makes it generally available.
4. Может быть использована как для здоровых людей при занятии туризмом и спортом, так и для пациентов с нарушением или слабостью мышц и суставов и пожилых людей.4. It can be used both for healthy people in tourism and sports, and for patients with impaired or weak muscles and joints and the elderly.
5. При использовании и управлении не задействует руки.5. When using and operating does not involve hands.
6. Не ограничивает движение тела, таза и ног в пространстве (имеет три степени свободы).6. Does not limit the movement of the body, pelvis and legs in space (has three degrees of freedom).
7. Является устойчивой.7. It is sustainable.
8. Экзоскелет может быть выполнен как встроенным в обувь, так и выполнен в виде съемной конструкции, позволяющей его легко одевать и снимать. Данная конструкция может быть использована в креплениях беговых лыж (фиг. 8) и конструкции ходулей (фиг. 7).8. The exoskeleton can be made either built-in to the shoes, or made in the form of a removable design that makes it easy to put on and take off. This design can be used in cross-country ski mounts (Fig. 8) and stilt construction (Fig. 7).
9. Может комбинированно сочетаться с активными экзоскелетами, для помощи переноса ноги вперед, что при незначительных затратах энергии сведет усилия при ходьбе до минимума, (http://www.automotive.com/news/honda-debuts-walking-assist-device-version-two-6870/)9. It can be combined with active exoskeletons to help move the leg forward, which, with little energy, will reduce effort when walking to a minimum, (http://www.automotive.com/news/honda-debuts-walking-assist-device- version-two-6870 /)
10. Универсальность размера (целесообразно в зависимости от метрики человека применить один или несколько базовых вариантов, не требуя подгонки под каждого индивидуально).10. Universality of size (it is advisable to apply one or several basic options, depending on the metric of a person, without requiring an individual fit for each).
11. Не нуждается в обучении и привыкании к пользованию.11. Does not need training and getting used to use.
12. Может быть использована на пересеченной поверхности (грунт, лестницы, бордюры, и т.д.) в отличие от колесной конструкции.12. It can be used on rough surfaces (soil, stairs, curbs, etc.) as opposed to a wheel structure.
13. При одинаковой нагрузке - количестве потраченной энергии - значительно увеличивается пройденное расстояние при использовании в пеших походах.13. With the same load - the amount of energy spent - the distance traveled increases significantly when used in hiking.
14. Может быть быстро и легко отключена без снимания с обуви при наличии замка с щеколдой 19 на верхнем опорном устройстве 1 (см. фиг. 3), позволяющем зафиксировать прижатое положение нижнего опорного устройства 2 для прохождения сложных участков, лестниц и других случаях. При этом толщина подошвы имеет обычные размеры для ходьбы шагом привычной длины.14. It can be quickly and easily disconnected without removing it from the shoes if there is a lock with a
Таким образом, заявляемая конструкция экзоскелета является удобной и универсальной в применении.Thus, the claimed design of the exoskeleton is convenient and versatile in use.
Claims (1)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017100635A RU2681115C2 (en) | 2017-01-12 | 2017-01-12 | Exoskeleton |
PCT/RU2017/000016 WO2018132030A1 (en) | 2017-01-12 | 2017-01-16 | Exoskeleton |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017100635A RU2681115C2 (en) | 2017-01-12 | 2017-01-12 | Exoskeleton |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2017100635A RU2017100635A (en) | 2018-07-13 |
RU2017100635A3 RU2017100635A3 (en) | 2018-07-13 |
RU2681115C2 true RU2681115C2 (en) | 2019-03-04 |
Family
ID=62840222
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017100635A RU2681115C2 (en) | 2017-01-12 | 2017-01-12 | Exoskeleton |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2681115C2 (en) |
WO (1) | WO2018132030A1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4927137A (en) * | 1988-07-11 | 1990-05-22 | Speer Charles R | Stilt |
RU2030174C1 (en) * | 1991-07-02 | 1995-03-10 | Владимир Анатольевич Бабуха | Device for walking |
US20020077704A1 (en) * | 2000-12-18 | 2002-06-20 | Joe Lin | Support apparatus |
US20030203793A1 (en) * | 2002-04-25 | 2003-10-30 | Emmert Second Limited Partnership | Stilt device with improved leg attachment assembly |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2583657B1 (en) * | 2010-06-21 | 2015-02-18 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Leg support device |
TWI556809B (en) * | 2014-03-27 | 2016-11-11 | 財團法人工業技術研究院 | Walking assist device |
-
2017
- 2017-01-12 RU RU2017100635A patent/RU2681115C2/en active IP Right Revival
- 2017-01-16 WO PCT/RU2017/000016 patent/WO2018132030A1/en active Application Filing
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4927137A (en) * | 1988-07-11 | 1990-05-22 | Speer Charles R | Stilt |
RU2030174C1 (en) * | 1991-07-02 | 1995-03-10 | Владимир Анатольевич Бабуха | Device for walking |
US20020077704A1 (en) * | 2000-12-18 | 2002-06-20 | Joe Lin | Support apparatus |
US20030203793A1 (en) * | 2002-04-25 | 2003-10-30 | Emmert Second Limited Partnership | Stilt device with improved leg attachment assembly |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2017100635A (en) | 2018-07-13 |
RU2017100635A3 (en) | 2018-07-13 |
WO2018132030A1 (en) | 2018-07-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Devita et al. | Effect of landing stiffness on joint kinetics and energetics in the lower extremity | |
CN104490568B (en) | Human lower extremity exoskeleton walking aid rehabilitation robot | |
CN103462784B (en) | Power-assisted exercising apparatus | |
US7740566B2 (en) | Hip assist walker | |
US5362288A (en) | Device for assisting running, walking or jumping | |
Ben-David et al. | Passive knee exoskeleton increases vertical jump height | |
RU2681115C2 (en) | Exoskeleton | |
CN207221003U (en) | A kind of walk supporting device | |
Mtibaa et al. | Heat stress impairs proprioception but not running mechanics | |
Wang et al. | Multijoint coordination of lower extremity in Tai Chi exercise | |
CN110732130A (en) | physical rehabilitation training process and action quality evaluation method | |
EP0600145A1 (en) | Sports shoes | |
CN205434838U (en) | Ankle joint motion training device | |
Cho et al. | The effect of depending on variations of speed in backward walking on lower extremities muscle | |
MAEHANA et al. | Physical fitness measurement items and methods for amputee soccer outfield players | |
Tamai et al. | Weight-supported walking assist device for knee osteoarthritis patients | |
Uustal et al. | Normal Gait | |
CN201135582Y (en) | Walking aid device for hemiparalysis patient | |
RU135255U1 (en) | EXOSCELETON KNEE JOINT | |
RU2531729C2 (en) | Device for generating running technique in athletes | |
US11980584B2 (en) | Wearable device for assisting limb movement | |
CN217526262U (en) | Plantar muscle resistance training instrument | |
Messenger | Moving the human machine: understanding the mechanical characteristics of normal human walking | |
Wilson et al. | Kinematics and kinetics of 2 styles of partial forward lunge | |
Ioan | HANDBALL PLAYER'S RECOVERY AFTER THE INJURY OF THE ANTERIOR CRUCIATE LIGAMENT. |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190316 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20210125 |