RU2780275C1 - Variable-rigidity exoskeleton - Google Patents

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention relates to medicine, namely to variable-rigidity exoskeletons. Exoskeleton comprises a support frame with joints, secured wherein are support racks consisting of hip, knee, and ankle links; a control system; and an actuator. The support racks of the exoskeleton are configured to transition from the state of maximum rigidity to the state of maximum flexibility and back, and include a set of segment elements connected by a band, an electric drive, and a thrust bearing. Each support rack constitutes a segmented structure consisting of segmental elements made of a composite material and connected by joints. Each segmental element constitutes a cylindrical part with a through hole, wherein the band consisting of threads configured to twist and untwist is passed through said part. The cylindrical part has a conical head on the one side and an internal conical groove for placing the conical head of the next segmental element, i.e., for articulation of adjacent segmental elements, on the other side. The electric drive is configured to twist and untwist the band. The knee link is made in the form of attachment to the leg of the wearer.

EFFECT: possibility of lowering the load on the muscles and skeleton of a person while ensuring the high mobility of the exoskeleton is provided.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике, а именно, к экзоскелетам и может быть использовано для поддержания тела человека и снижения физической нагрузки на человека в положении «Стоя» длительное время.The invention relates to medical equipment, namely, to exoskeletons and can be used to maintain the human body and reduce physical stress on a person in the "Standing" position for a long time.

Известны экзоскелеты поддержки тела человека и снижения физической нагрузки [1. RU №2565101 С1 от 09.12.2014. 2. RU №194544 U1 от 16.09.2019]. Недостатками известных аналогов является отсутствие возможности перехода между режимами максимальной маневренности и максимальной разгрузки человека.Known exoskeletons support the human body and reduce physical activity [1. RU No. 2565101 C1 dated 12/09/2014. 2. RU No. 194544 U1 dated September 16, 2019]. The disadvantages of the known analogues is the lack of the possibility of transition between the modes of maximum maneuverability and maximum unloading of a person.

Наиболее близким к заявляемому устройству является экзоскелет, описанный в патенте России RU №2565101 С1 от 09.12.2014, содержащий силовой каркас, который включает в себя опорную раму с шарнирами, в которых закреплены опорные стойки, состоящие из тазобедренных, коленных и голеностопных звеньев, систему управления и исполнительный механизм в виде электропневматической системы.The closest to the claimed device is the exoskeleton described in the Russian patent RU No. 2565101 C1 dated 12/09/2014, containing a power frame, which includes a support frame with hinges in which support racks are fixed, consisting of hip, knee and ankle links, a system control and actuator in the form of an electro-pneumatic system.

Недостатками экзоскелета являются низкая маневренность, сложность и большая масса конструкции, требующая значительных энергозатрат.The disadvantages of the exoskeleton are low maneuverability, complexity and large mass of the structure, which requires significant energy consumption.

Задача изобретения - снижение нагрузки на мышцы и скелет человека при длительном нахождении в стоячем положении с грузом или без него и обеспечение высокой мобильности.The objective of the invention is to reduce the load on the muscles and skeleton of a person during prolonged standing in a standing position with or without a load and to ensure high mobility.

Технический результат достигается за счет того, что в экзоскелете, содержащем опорную раму с шарнирами, в которых закреплены опорные стойки, состоящие из тазобедренных, коленных и голеностопных звеньев, систему управления и исполнительный механизм, опорные стойки экзоскелета выполнены с возможностью перехода из состояния максимальной жесткости в состояние максимальной гибкости и обратно и включают в себя набор сегментных элементов, соединенных жгутом, электропривод и упорный подшипник, при этом каждая опорная стойка (состоящая из «голени» и «бедра» с расположенным между ними «суставом») представляет собой сегментную конструкцию, состоящую из сегментных элементов, выполненных из композиционного материала и соединенных шарнирно, каждый сегментный элемент представляет собой цилиндрическую деталь со сквозным отверстием, через которое пропускают жгут, состоящий из высокопрочных скручиваемых и раскручиваемых нитей, имеющую с одной стороны конусообразную головку, а с другой стороны - внутренний конусообразный паз для размещения конусообразной головки следующего сегментного элемента, то есть для сочленения соседних сегментных элементов.The technical result is achieved due to the fact that in the exoskeleton containing the support frame with hinges, in which the support posts are fixed, consisting of the hip, knee and ankle links, the control system and the actuator, the support legs of the exoskeleton are made with the possibility of transition from the state of maximum rigidity to state of maximum flexibility and vice versa and include a set of segment elements connected by a harness, an electric drive and a thrust bearing, while each support leg (consisting of a “shin” and a “thigh” with a “joint” located between them) is a segment structure consisting of segment elements made of a composite material and hinged, each segment element is a cylindrical part with a through hole through which a bundle is passed, consisting of high-strength twisted and untwisted threads, having a cone-shaped head on one side, and an internal th cone-shaped groove for accommodating the cone-shaped head of the next segment element, that is, for articulating adjacent segment elements.

При натяжении жгута сегментные элементы входят в жесткий контакт друг с другом, чем достигается максимальная жесткость конструкции экзоскелета. При заданном ослаблении жгута степень жесткости конструкции уменьшается, что дает возможность пользователю двигаться в заданном направлении и маневрировать.When the harness is tensioned, the segment elements come into rigid contact with each other, which achieves the maximum rigidity of the exoskeleton structure. With a given loosening of the harness, the degree of rigidity of the structure decreases, which allows the user to move in a given direction and maneuver.

При приведении экзоскелета в рабочее состояние часть вертикальной нагрузки на человека воспринимается конструкцией экзоскелета. При переводе экзоскелета в нерабочее положение человек получает возможность передвигаться с максимальной маневренностью.When bringing the exoskeleton into working condition, part of the vertical load on a person is perceived by the design of the exoskeleton. When the exoskeleton is transferred to a non-working position, a person gets the opportunity to move with maximum maneuverability.

Экзоскелет представляет собой силовой каркас, включающий в себя голеностопное опорное звено с шарниром, на котором закреплены две опорных стойки («голень» и «бедро»), два коленных узла (крепления к ногам пользователя) и два тазобедренных звена с электроприводом. Опорная стойка выполнена с возможностью изменения своей жесткости и гибкости, что достигается благодаря сегментной конструкции стержня со жгутом в сердечнике, обеспечивающим изменение жесткости конструкции путем его натяжения (при скручивании нитей) и расслабления (при раскручивании нитей).The exoskeleton is a load-bearing frame that includes an ankle support link with a hinge, on which two support posts (“shin” and “thigh”) are fixed, two knee assemblies (attachments to the user’s legs) and two hip links with an electric drive. The support post is made with the possibility of changing its rigidity and flexibility, which is achieved due to the segmented design of the rod with a core harness, which provides a change in the structure rigidity by its tension (when the threads are twisted) and relaxation (when the threads are untwisted).

Изобретение иллюстрируется чертежами:The invention is illustrated by drawings:

фиг. 1 - сегментные элементы опорного звена экзоскелета;fig. 1 - segment elements of the reference link of the exoskeleton;

фиг. 2 - механизм натяжения троса опорного стержня;fig. 2 - mechanism for tensioning the cable of the support rod;

фиг. 3 - экзоскелет с изменяемой жесткостью.fig. 3 - exoskeleton with variable stiffness.

На фиг. 1-3 использованы следующие обозначения: состояние I - нерабочее состояние экзоскелета: трос ослаблен, сегменты не стянуты, жесткость минимальна; состояние II - рабочее состояние экзоскелета: трос натянут, сегментные элементы стянуты, жесткость максимальна; 1 - сегментные элементы экзоскелета; 2 - жгут; 3 - корпус электропривода; 4 - упорный подшипник; 5 - электропривод; 6 - голеностопное звено; 7 - коленное звено; 8 - опорное звено (опорная стойка); 9 - шаровой шарнир,In FIG. 1-3, the following designations are used: state I - non-working state of the exoskeleton: the cable is loose, the segments are not tightened, the rigidity is minimal; state II - operating state of the exoskeleton: the cable is stretched, the segment elements are tightened, the rigidity is maximum; 1 - segment elements of the exoskeleton; 2 - tourniquet; 3 - housing of the electric drive; 4 - thrust bearing; 5 - electric drive; 6 - ankle link; 7 - knee link; 8 - support link (support post); 9 - ball joint,

- при этом сегментные элементы 1 последовательно соединены друг с другом конусообразной головкой с одной стороны, а с другой стороны - внутренним конусообразным пазом для размещения конусообразной головки следующего сегментного элемента, то есть для сочленения соседних сегментных элементов, через ось симметрии сегментных элементов протянут жгут 2, соединяющий их в одну цепь; в верхней части конструкции цепь закрепляют на корпусе электропривода 3, имеющего конический выход, совмещающийся с сегментным элементом 1. Жгут 2 закрепляют на втулке электропривода (на фиг. 1-3 не показана). С противоположной стороны (в нижней части конструкции) цепь закрепляют на шаровом шарнире 9, передающем нагрузки на голеностопное звено. Коленное звено 7 выполнено в виде тканого пояса, представляет собой узел крепления к ноге пользователя и предназначено для ограничения свободного хода сегментных опорных стоек 8. В корпусе 3 электропривода располагают электрический двигатель 5, на оси которого закреплена втулка (на фиг. 1-3 не показана), опирающаяся на упорный подшипник (на фиг. 1-3 не показан) и служащая для скручивания/раскручивания жгута. Электропривод представляет собой электродвигатель с редуктором.- at the same time, the segment elements 1 are connected in series with each other with a cone-shaped head on one side, and on the other hand, with an internal cone-shaped groove for accommodating the cone-shaped head of the next segment element, that is, for articulating adjacent segment elements, a bundle 2 is stretched through the axis of symmetry of the segment elements, connecting them in one chain; in the upper part of the structure, the chain is fixed on the body of the electric drive 3, which has a conical outlet, which is aligned with the segment element 1. The harness 2 is fixed on the drive bushing (not shown in Fig. 1-3). On the opposite side (in the lower part of the structure), the chain is fixed on the ball joint 9, which transfers the load to the ankle link. The knee link 7 is made in the form of a woven belt, it is an attachment point to the user's leg and is designed to limit the free play of the segment support posts 8. An electric motor 5 is located in the drive housing 3, on the axis of which a sleeve is fixed (not shown in Fig. 1-3 ), resting on a thrust bearing (not shown in Fig. 1-3) and serving for twisting / unwinding the bundle. The electric drive is an electric motor with a gearbox.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Шаровой шарнир 9, расположенный на поясе, фиксируется поясным ремнем на талии человека, коленное звено 7 фиксируется ремнем над коленом, голеностопное звено 6 надевается на ступню пользователя и фиксируется на ней. В случае если человеку необходимо длительное время находиться в положении «Стоя» с грузом или налегке, производится включение электропривода 5, который производит натяжение жгута 2, стягивающего сегменты 1, в результате чего жесткость конструкции опорного звена 8 достигает максимального значения, обеспечиваемого профилем сечения и прочностными свойствами композиционного материала, из которого изготовлены сегментные элементы конструкции. При этом подвижность пользователя значительно снижается - движение при активированном состоянии экзоскелета (неподвижный режим) сильно ограничено. При переключении экзоскелета в подвижный режим происходит обратный ход электропривода 5 и расслабление жгута 2, в результате чего опорные стойки теряют жесткость благодаря своей сегментной конструкции. В подвижном режиме пользователь без стеснения движений получает возможность изменить свое положение, перемещаться и маневрировать.The claimed device works as follows. The ball joint 9, located on the belt, is fixed with a waist belt on the waist of a person, the knee link 7 is fixed with a belt above the knee, the ankle link 6 is put on the user's foot and fixed on it. If a person needs to be in the “Standing” position for a long time with a load or light, the electric drive 5 is turned on, which tensions the harness 2, which tightens the segments 1, as a result of which the structural rigidity of the support link 8 reaches the maximum value provided by the section profile and strength properties of the composite material from which the segmental structural elements are made. At the same time, the user's mobility is significantly reduced - movement in the activated state of the exoskeleton (stationary mode) is severely limited. When the exoskeleton is switched to the mobile mode, the electric drive 5 reverses and the harness 2 relaxes, as a result of which the support legs lose their rigidity due to their segmental design. In the mobile mode, the user, without constraint of movement, is able to change his position, move and maneuver.

Технический результат заключается в снижении нагрузки на мышцы и скелет человека при длительном нахождении в стоячем положении с грузом или без него и в обеспечении высокой мобильности.The technical result is to reduce the load on the muscles and skeleton of a person during a long stay in a standing position with or without a load and to ensure high mobility.

Claims (3)

1. Экзоскелет с изменяемой жесткостью, содержащий опорную раму с шарнирами, в которых закреплены опорные стойки, состоящие из тазобедренных, коленных и голеностопных звеньев, систему управления и исполнительный механизм, отличающийся тем, что опорные стойки экзоскелета выполнены с возможностью перехода из состояния максимальной жесткости в состояние максимальной гибкости и обратно и включают в себя набор сегментных элементов, соединенных жгутом, электропривод и упорный подшипник, при этом каждая опорная стойка представляет собой сегментную конструкцию, состоящую из сегментных элементов, выполненных из композиционного материала и соединенных шарнирно, каждый сегментный элемент представляет собой цилиндрическую деталь со сквозным отверстием, через которое пропущен жгут, состоящий из нитей, выполненных с возможностью скручиваться и раскручиваться, имеющую с одной стороны конусообразную головку, а с другой стороны - внутренний конусообразный паз для размещения конусообразной головки следующего сегментного элемента, то есть для сочленения соседних сегментных элементов, при этом электропривод выполнен с возможностью скручивать и раскручивать жгут, а коленное звено выполнено в виде крепления к ноге пользователя.1. An exoskeleton with variable rigidity, containing a support frame with hinges, in which support posts are fixed, consisting of hip, knee and ankle links, a control system and an actuator, characterized in that the support legs of the exoskeleton are made with the possibility of transition from a state of maximum rigidity to state of maximum flexibility and vice versa and include a set of segment elements connected by a harness, an electric drive and a thrust bearing, while each support leg is a segment structure consisting of segment elements made of a composite material and hinged, each segment element is a cylindrical detail with a through hole through which a bundle is passed, consisting of threads made with the ability to twist and unwind, having a cone-shaped head on one side, and an internal cone-shaped groove on the other side for accommodating the cone-shaped head next of the connecting segment element, that is, for articulation of adjacent segment elements, while the electric drive is made with the ability to twist and unwind the tourniquet, and the knee link is made in the form of fastening to the user's leg. 2. Экзоскелет по п. 1, отличающийся тем, что при максимальном натяжении жгута сегментные элементы входят в жесткий контакт друг с другом, чем достигается максимальная жесткость конструкции экзоскелета.2. The exoskeleton according to claim 1, characterized in that at the maximum tension of the bundle, the segment elements come into rigid contact with each other, which achieves the maximum rigidity of the exoskeleton structure. 3. Экзоскелет по п. 1, отличающийся тем, что при заданном ослаблении жгута степень жесткости конструкции экзоскелета уменьшается, что дает возможность пользователю двигаться в заданном направлении и маневрировать.3. The exoskeleton according to claim 1, characterized in that at a given weakening of the harness, the degree of rigidity of the exoskeleton structure decreases, which allows the user to move in a given direction and maneuver.

Images