Экзоскелет с электропневматической системой управления

Экзоскелет с электропневматической системой управления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области электропневмоавтоматики и может быть использовано для осуществления ходьбы и реабилитации людей с нарушениями опорно-двигательного аппарата, а также в качестве универсальной транспортной платформы.

Известен экзоскелет с электроприводом (патент США №7857774, A61H 1/00 от 28.12.2010), содержащий опорную раму, две опорные стойки, четыре электродвигателя, установленные в тазобедренных и коленных суставах, аккумуляторные батареи (до пяти штук), а также блок управления с биоэлектрическими датчиками и датчиками усилий, расположенными на задней поверхности бедра и стопах пользователя.

Недостатками данного устройства являются: отсутствие возможности поворота пользователя в экзоскелете вокруг центральной оси и способности плавного перемещения подвижных элементов каркаса экзоскелета без использования демпфирующих устройств, ограниченное количество степеней свободы экзоскелета (8) вследствие установки электромоторов непосредственно в тазобедренных и коленных суставах, длительное время калибровки устройства под конкретного пользователя (до 2 месяцев).

Известен экзоскелет с гидроприводом (заявка США №2013/0102935, A61H 3/06 от 25.04.2013), содержащий две роботизированные нижние конечности, гидроцилиндры, предназначенные для сгибания тазобедренных и коленных суставов, управляющую аппаратуру, насос с электромотором и источник питания. Управление движением осуществляется центральным контроллером, сигналы на который поступают от двух датчиков положения, расположенных в голеностопных звеньях конструкции экзоскелета.

Недостатками данной конструкции являются необходимость пользователя поддерживать равновесие и обеспечивать начальный импульс роботизированным конечностям для осуществления движения, что ограничивает область применения экзоскелета, а также невысокие параметры срока службы (до 5·10⁶ циклов) и времени срабатывания исполнительных устройств (0,06-0,1 с).

Известен экзоскелет (патент РФ №2493805, A61H 3/00 от 20.02.12), содержащий опорные стойки, башмаки и траверсу с шарниром на ее центральной части, в котором вращается вал.

При эксплуатации такого экзоскелета требуется задействовать мышечную систему человека, что не позволяет использовать его людям с параличом одной или нескольких нижних конечностей.

Известен экзоскелет с электроприводом (заявка США №2011/0066088, A61H 1/02 от 17.03.2011), содержащий неподвижный тазовый поддерживающий элемент, две роботизированные нижние конечности, главный и второстепенный тазовые, коленные, голеностопные привода, систему управления, состоящую из акселерометра, инклинометра, датчиков расстояния, давления и движения, клавиатуры и джойстика.

К недостаткам данного устройства можно отнести невысокую скорость передвижения (не более 0,3 м/с), обусловленную ограниченными возможностями возвратно-поступательных электроприводных исполнительных механизмов, наличие рывков при движении.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является экзоскелет с пневмоприводом (патент КНР №201870775, A61H 3/00 от 22.06.2011), состоящий из силового каркаса, который включает в себя опорную раму с шарнирами, в которых закреплены опорные стойки, в свою очередь, состоящие из тазобедренных, коленных и голеностопных звеньев, и электропневматической системы, содержащей первый пневмомускул, первый, второй, третий и четвертый двухлинейные и двухпозиционные пневмораспределители, первый трехлинейный двухпозиционный пневмораспределитель, регулятор давления, контроллер и компрессор.

В то же время экзоскелет является стационарным, а приводные двигатели позволяют перемещать конечности устройства лишь в сагиттальной плоскости, что значительно ограничивает его функции.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение безопасности и надежности работы роботизированного экзоскелета за счет использования электропневматической элементной базы.

Техническим результатом является улучшение эксплуатационных характеристик, в том числе оптимального распределения нагрузки за счет пропорционального управления, стабильной скорости и плавности хода, обеспеченной применением «мягких» бескаркасных пневмодвигателей.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что экзоскелет, состоящий из силового каркаса, который включает в себя опорную раму с шарнирами, в которых закреплены опорные стойки, в свою очередь, состоящие из тазобедренных, коленных и голеностопных звеньев, и электропневматической системы, содержащей первый пневмомускул, первый, второй, третий и четвертый двухлинейные двухпозиционные пневмораспределители, первый трехлинейный двухпозиционный пневмораспределитель, регулятор давления, контроллер и компрессор, причем первый, второй, третий и четвертый двухлинейные двухпозиционные пневмораспределители и трехлинейный двухпозиционный пневмораспределитель электрически связаны с контроллером, согласно изобретению содержит второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый пневмомускулы, первый и второй неполноповоротные пневмодвигатели, первый, второй, третий, четвертый и пятый пропорциональные пневмораспределители, пятый, шестой, седьмой и восьмой двухлинейные двухпозиционные пневмораспределители, второй и третий трехлинейные двухпозиционные пневмораспределители, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой управляемые обратные клапаны, первый и второй клапаны быстрого выхлопа, первый и второй обратные клапаны, первый и второй дроссели, блок подготовки воздуха, пневмоаккумулятор, электроаккумулятор, систему управления, состоящую из комбинированной микроэлектромеханической системы, включающей акселерометр, инклинометр, гироскоп, датчики давления и угла поворота, при этом первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой пневмомускулы пневматически связаны с первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым, седьмым и восьмым двухлинейными двухпозиционными пневмораспределителями через первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой управляемые обратные клапаны соответственно, а первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой двухлинейные двухпозиционные пневмораспределители пневматически связаны с первым, вторым, третьим и четвертым пропорциональными пневмораспределителями соответственно, девятый и десятый пневмомускулы пневматически связаны с первым и вторым клапанами быстрого выхлопа через первый и второй дроссели, а также со вторым и третьим трехлинейными пневмораспределителями через первый и второй обратные клапаны, концы пневмомускулов шарнирно соединены с тазобедренными и коленными элементами силового каркаса, первый и второй неполноповоротные пневмодвигатели пневматически соединены с пятым пропорциональным пневмораспределителем, первый, второй, третий, четвертый и пятый пропорциональные пневмораспределители пневматически связаны с первым трехлинейным двухпозиционным пневмораспределителем, второй и третий трехлинейные двухпозиционные пневмораспределители пневматически связаны с регулятором давления, который, в свою очередь, пневматически связан с первым трехлинейным двухпозиционным пневмораспределителем, а первый трехлинейный двухпозиционный пневмораспределитель пневматически связан через блок подготовки воздуха с пневмоаккумулятором и компрессором, шесть датчиков давления и шесть датчиков угла поворота электрически связаны с контроллером, который, в свою очередь, электрически связан с первым, вторым, третьим, четвертым и пятым пропорциональными пневмораспределителями, первым, вторым и третьим трехлинейными двухпозиционными пневмораспределителями, первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым, седьмым и восьмым двухлинейными двухпозиционными распределителями.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 и фиг. 2 изображена компоновочная схема, на фиг. 3 - принципиальная пневматическая схема экзоскелета.

Силовой каркас (фиг. 1, фиг. 2) содержит опорную раму 1 с шаровыми шарнирами 2, 3, в которых закреплены опорные стойки, в свою очередь, состоящие из тазобедренных 4, коленных 5 и голеностопных 6 звеньев. Голеностопные звенья имеют пассивную степень свободы в виде пружины 7.

Девятый 8, десятый 9, первый 10, второй 11, третий 12 и четвертый 13 пневмомускулы шарнирно связаны с тазобедренным звеном 4 конструкции, пятый 14, шестой 15, седьмой 16 и восьмой 17 пневмомускулы шарнирно связаны с коленным 5 звеном конструкции. Первый 18 и второй 19 поворотные пневмодвигатели закреплены на голеностопных 6 звеньях.

Пневматическая система экзоскелета (фиг. 3) включает в себя следующие подсистемы:

- систему стабилизации движения, предназначенную для поддержания равновесия экзоскелета при ходьбе;

- систему передвижения, которая осуществляет локомоторную функцию;

- систему поворота экзоскелета вокруг центральной оси.

Система передвижения экзоскелета состоит из первого 10, второго 11, третьего 12, четвертого 13, пятого 14, шестого 15, седьмого 16 и восьмого 17 пневмомускулов, связанных с ними первого 20, второго 21, третьего 22, четвертого 23 пропорциональных пневмораспределителей, первого 24, второго 25, третьего 26, четвертого 27, пятого 28, шестого 29, седьмого 30 и восьмого 31 двухлинейных двухпозиционных пневмораспределителей, шести датчиков давления, расположенных на подошвах устройства, и шести датчиков угла поворота, расположенных в суставах экзоскелета.

В нагнетательных линиях первого 10, второго 11, третьего 12, четвертого 13, пятого 14, шестого 15, седьмого 16 и восьмого 17 пневмомускулов вмонтированы первый 32, второй 33, третий 34, четвертый 35, пятый 36, шестой 37, седьмой 38 и восьмой 39 обратные клапаны с пневматическим сигналом.

Система поворота вокруг центральной оси состоит из первого 18, второго 19 поворотных пневмодвигателей и пропорционального пневмораспределителя 40.

Система стабилизации состоит из девятого 8 и десятого 9 пневмомускулов, второго 41 и третьего 42 трехлинейных двухпозиционных пневмораспределителей с электронным управлением, первого 43 и второго 44 обратных клапанов, первого 45 и второго 46 регулируемых дросселей, первого 47 и второго 48 клапанов быстрого выхлопа.

Второй 41 и третий 42 трехлинейные двухпозиционные пневмораспределители связаны с регулятором давления 49, который, в свою очередь, связан с первым трехлинейным двухпозиционным пневмораспределителем 50. Первый трехлинейный двухпозиционный пневмораспределитель 50 связан через блок подготовки воздуха 51 с пневмоаккумулятором 52 и компрессором 53.

Устройство работает следующим образом: компрессор 53 нагнетает сжатый воздух в пневмосистему, наполняя при этом пневмоаккумулятор 52. При прохождении через блок подготовки 51 производится очистка сжатого воздуха. Первый трехлинейный двухпозиционный пневмораспределитель 50 служит для подачи сжатого воздуха к системам передвижения, стабилизации и поворота. С помощью регулятора давления 49 устанавливается определенное давление, которое регулируется степенью затяжки пружины и контролируется датчиком давления.

Система передвижения экзоскелета состоит из первого 10, второго 11, третьего 12, четвертого 13, пятого 14, шестого 15, седьмого 16 и восьмого 17 пневмомускулов. Управление пневмомускулами осуществляется за счет первого 20, второго 21, третьего 22, четвертого 23 пропорциональных пневмораспределителей, а также первого 24, второго 25, третьего 26, четвертого 27, пятого 28, шестого 29, седьмого 30 и восьмого 31 двухлинейных двухпозиционных пневмораспределителей с электронным управлением. Управляющие сигналы на пневмораспределители подает контроллер, который, в свою очередь, получает информацию от шести датчиков давления, расположенных на подошвах устройства, комбинированной микроэлектромеханической системы, включающей акселерометр, гироскоп и инклинометр, расположенной максимально близко к центру тяжести экзоскелета, и, за счет обратной связи, от шести датчиков угла поворота, расположенных непосредственно на каждом суставе.

В нагнетательных линиях первого 10, второго 11, третьего 12, четвертого 13, пятого 14, шестого 15, седьмого 16 и восьмого 17 пневмомускулов для отбора давления вмонтированы первый 32, второй 33, третий 34, четвертый 35, пятый 36, шестой 37, седьмой 38 и восьмой 39 управляемые обратные клапаны с управляющим пневматическим сигналом.

Система поворота вокруг центральной оси состоит из первого 18 и второго 19 поворотных пневмодвигателей. Управление пневмодвигателями осуществляется пропорциональным пневмораспределителем 40 посредством подачи на него электросигнала от контроллера.

Система стабилизации состоит из девятого 8 и десятого 9 пневмомускулов, отводящих ноги в сагиттальной плоскости для поддержания устойчивости при движении. Управление пневмомускулами осуществляется при помощи второго 41 и третьего 42 трехлинейных двухпозиционных пневмораспределителей с электронным управлением, первого 43 и второго 44 обратных клапанов, первого 45 и второго 46 регулируемых дросселей, первого 47 и второго 48 клапанов быстрого выхлопа. Электронное управление осуществляется аналогично при помощи контроллера.

Заявляемое изобретение снижает массогабаритные показатели и повышает эксплуатационные характеристики экзоскелета, в том числе реализует распределение нагрузки посредством пропорционального управления, развивает при передвижении стабильную скорость и плавность хода, обеспеченную применением «мягких» бескаркасных пневмодвигателей. Использование компактного и мощного компрессора позволяет сделать устройство автономным, что дает возможность эксплуатировать экзоскелет людям с нарушениями опорно-двигательного аппарата в качестве мобильного средства для реабилитации.

Экзоскелет, состоящий из силового каркаса, который включает в себя опорную раму с шарнирами, в которых закреплены опорные стойки, в свою очередь, состоящие из тазобедренных, коленных и голеностопных звеньев, и электропневматической системы, содержащей первый пневмомускул, первый, второй, третий и четвертый двухлинейные двухпозиционные пневмораспределители, первый трехлинейный двухпозиционный пневмораспределитель, регулятор давления, контроллер и компрессор, причем первый, второй, третий и четвертый двухлинейные и двухпозиционные пневмораспределители и трехлинейный двухпозиционный пневмораспределитель электрически связаны с контроллером, отличающийся тем, что содержит второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый пневмомускулы, первый и второй неполноповоротные пневмодвигатели, первый, второй, третий, четвертый и пятый пропорциональные пневмораспределители, пятый, шестой, седьмой и восьмой двухлинейные двухпозиционные пневмораспределители, второй и третий трехлинейные двухпозиционные пневмораспределители, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой управляемые обратные клапаны, первый и второй клапаны быстрого выхлопа, первый и второй обратные клапаны, первый и второй дроссели, блок подготовки воздуха, пневмоаккумулятор, электроаккумулятор, систему управления, состоящую из комбинированной микроэлектромеханической системы, включающей акселерометр, инклинометр, гироскоп, датчики давления и угла поворота, при этом первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой пневмомускулы пневматически связаны с первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым, седьмым и восьмым двухлинейными двухпозиционными пневмораспределителями через первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой управляемые обратные клапаны соответственно, а первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой двухлинейные двухпозиционные пневмораспределители пневматически связаны с первым, вторым, третьим и четвертым пропорциональными пневмораспределителями соответственно, девятый и десятый пневмомускулы пневматически связаны с первым и вторым клапанами быстрого выхлопа через первый и второй дроссели, а также со вторым и третьим трехлинейными пневмораспределителями через первый и второй обратные клапаны, концы пневмомускулов шарнирно соединены с тазобедренными и коленными элементами силового каркаса, первый и второй неполноповоротные пневмодвигатели пневматически соединены с пятым пропорциональным пневмораспределителем, первый, второй, третий, четвертый и пятый пропорциональные пневмораспределители пневматически связаны с первым трехлинейным двухпозиционным пневмораспределителем, второй и третий трехлинейные двухпозиционные пневмораспределители пневматически связаны с регулятором давления, который, в свою очередь, пневматически связан с первым трехлинейным двухпозиционным пневмораспределителем, а первый трехлинейный двухпозиционный пневмораспределитель пневматически связан через блок подготовки воздуха с пневмоаккумулятором и компрессором, шесть датчиков давления и шесть датчиков угла поворота электрически связаны с контроллером, который, в свою очередь, электрически связан с первым, вторым, третьим, четвертым и пятым пропорциональными пневмораспределителями, первым, вторым и третьим трехлинейными двухпозиционными пневмораспределителями, первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым, седьмым и восьмым двухлинейными двухпозиционными распределителями.