Голенное звено ортеза или экзоскелета

Голенное звено ортеза или экзоскелета

Иллюстрации

Показать все

Реферат

[0001] Заявляемое изобретение относится к области удовлетворения жизненных потребностей человека и может быть использовано в медицине, в частности травматологии и ортопедии, а также туризме, спорте, спасательном и армейском оборудовании за счет применения в различных конструкциях ортезов нижних конечностей и экзоскелетов как активных, так и пассивных.

[0002] Известно звено голени экзоскелета, описанное в опубликованной международной заявке WO 2013/049658, А61Н 3/00, 2013, содержащее две стойки, располагаемые по обеим сторонам голени человека-носителя. На нижних концах стоек шарнирно закреплена С-образная скоба, в свою очередь шарнирно соединенная с опорной площадкой стопы в пяточной части.

[0003] Известно звено голени экзоскелета пассивного типа, описанное в патенте RU 2362598, А62В 99/00, А61Н 3/00, 2007, включающее в себя опорный рычаг, выполненный в виде пространственной С-образной оболочки, размещаемой с возможностью фиксации на передней части голени элементами крепления. По внешней поверхности оболочки выполнены горизонтальные шлицы, которые обеспечивают возможность перемещения конечности или стопы вокруг общей вертикальной оси.

[0004] Опорный рычаг связан с соединительным узлом опоры стопы через ползун, который обеспечивает вращение вокруг общей вертикальной оси. Соединительный узел стопы представляет собой соединенную через шарнир вилку, которая соединена с опорой стопы, вставленной в интегрированную обувь через шарниры, расположенные по обеим сторонам стопы, что в комплексе обеспечивает три степени свободы движения стоп, а именно возможность углового перемещения вокруг осей XYZ.

[0005] Известно звено голени экзоскелета пассивного типа, описанное в патенте RU 2563209, А61Н 3/00, 2014, содержащее несущий элемент, соединенный с вилкой голеностопа с помощью винта через подшипник скольжения. Вилка голеностопа имеет вид коромысла с опущенными параллельными концами. У вилки голеностопа есть боковые приливы, ограничивающие боковую амплитуду (вправо-влево) колебания стопы во избежание повреждения связок.

[0006] К концам вилки голеностопа через подшипники скольжения присоединены фиксаторы-защелки, обеспечивающие разъемное соединение опорной площадки. Скоба опорной площадки вставляется в обувь, например, под стельку. Снаружи обуви с 2-х сторон прикладываются боковые упоры опорной площадки, например, в виде пластины в виде трапеций, с пазами в верхней части и прикручиваются винтами к опорной скобе, которые взаимодействуют с фиксаторами-защелками. Данное устройство принято в качестве прототипа.

[0007] Недостатком известных устройств является сложность конструкции, большой вес, невысокая нагрузочная способность. Кроме того, они не позволяют обеспечить движение вокруг осей, проходящих через центр голеностопного сустава оператора экзоскелета, что отрицательно сказывается на эргономических характеристиках человекомашинной системы оператор-экзоскелет.

[0008] Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении арсенала технических средств голенных звеньев для ортезов и экзоскелетов за счет увеличения нагрузочной способности и устойчивости оператора.

[0009] Кроме того, техническим результатом также является повышение безопасности человека-оператора за счет обеспечения движения вокруг осей, проходящих через центр голеностопного сустава оператора.

[0010] Указанный технический результат достигается за счет того, что голенное звено ортеза ноги или экзоскелета содержит расположенный с латеральной и медиальной стороны голени опорный элемент, предназначенный для соединения с голенью ноги человека-носителя. Равнодействующая реакции данной опоры проходит по вертикальной оси ноги.

[0011] На опорном элементе с возможностью поворота установлены первый рычаг и второй рычаг, имеющий два плеча. Как будет показано далее углы поворота рычагов определяются углами супинации и пронации стопы.

[0012] Первая стойка верхним концом шарнирно соединена с концом первого рычага и первым плечом второго рычага. Вторая стойка верхним концом шарнирно соединена со вторым плечом второго рычага.

[0013] Опора ступни первой боковой стороной соединена с нижним концом первой стойки и второй боковой стороной соединена с нижним концом второй стойки при помощи шарниров, имеющих, по крайней мере, две степени свободы. Шарниры обеспечивают кинематику рычажного механизма голенного звена и свободное движение в направлении сгибания-разгибания голеностопного сустава.

[0014] При использовании в пассивном ортезе или экзоскелете для здорового человека не требуется ограничивать степень свободы (движения) шарниров. Однако, при использовании в активном экзоскелете или для больного с ограниченными способностями к движению во избежание травм, по крайней мере, одна степень свободы шарнира должна быть ограничена углами сгибания-разгибания голеностопного сустава человека. Более подробно это будет описано далее.

[0015] В частном случае исполнения голенное звено может быть снабжено установленным на опорном элементе соединительным элементом, частично охватывающим голень человека-носителя и предназначенным для закрепления на голени человека-носителя и для соединения с коленным шарниром ортеза или экзоскелета.

[0016] Для настройки голенного звена под конкретного пользователя первая и вторая стойки могут быть выполнены с возможностью изменения их длины. Также плечи первого и второго рычагов могут быть выполнены с возможностью изменения их длины.

[0017] Предпочтительным является такое выполнение голенного звена, при котором концы первого и второго рычагов повернуты в сторону голени человека-носителя и расположены в плоскости, параллельной сагиттальной плоскости.

[0018] Предпочтительно, чтобы каждое шарнирное соединение стоек с рычагами было образовано осью, установленной на конце соответствующего рычага и подшипником, расположенным на соответствующей стойке. При этом оси также расположены в плоскости, параллельной сагиттальной плоскости.

[0019] В частном случае исполнения подшипники могут быть установлены на осях с возможностью ограниченного осевого перемещения.

[0020] Предпочтительно, чтобы каждый шарнир, соединяющий соответствующую стойку с опорой ступни, был образован сухарем, имеющим два взаимно перпендикулярных отверстия, и пальцами, расположенными в отверстиях сухаря. При этом каждый сухарь расположен в проушинах, выполненных на соответствующей стойке и соответствующей боковой стороне опоры ступни, а пальцы закреплены на соответствующей проушине.

[0021] В частном случае исполнения между сухарем и проушиной на боковой стороне опоры ступни, а также между пальцами и внутренней поверхностью отверстий сухаря могут быть расположены упругие элементы.

[0022] В конкретном случае исполнения голенное звено дополнительно содержит механический и/или пневматический упругий элемент, шарнирно соединенный одним концом с опорным элементом, а другим концом с пяточной частью опоры ступни.

[0023] В конкретном случае исполнения голенное звено дополнительно содержит привод линейного перемещения, шарнирно соединенный одним концом с опорным элементом, а другим концом с пяточной частью опоры ступни.

[0024] Вышеизложенное представляет собой краткое изложение сущности изобретения и, таким образом, может содержать упрощения, обобщения, включения и/или исключения подробностей; следовательно, специалистам в данной области техники следует принять во внимание, что данное краткое изложение сущности изобретения является только иллюстративным и не подразумевает какое-либо ограничение.

[0025] Для лучшего понимания сути предлагаемого технического решения ниже приводится описание конкретного примера выполнения, не являющееся ограничительным примером практической реализации голенного звена ортеза ноги в соответствии с заявляемым изобретением со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее.

[0026] На фиг. 1 изображено голенное звено правой ноги, аксонометрия вид спереди (элементы крепления на голени и обуви человека-носителя условно не показаны).

[0027] На фиг. 2 изображено голенное звено правой ноги, аксонометрия вид сзади (элементы крепления на голени и обуви человека-носителя условно не показаны).

[0028] На фиг. 3 изображено голенное звено правой ноги, вид сбоку.

[0029] На фиг. 4 изображен разрез А-А на фиг. 3.

[0030] На фиг. 5 изображен разрез Б-Б на фиг. 4.

[0031] На фиг. 6 изображено голенное звено правой ноги, вид спереди.

[0032] На фиг. 7 изображено голенное звено правой ноги, вид сзади.

[0033] На фиг. 8 изображено голенное звено правой ноги при пронации, вид сзади.

[0034] На фиг. 9 изображено голенное звено правой ноги при супинации, вид сзади.

[0035] На фиг. 10 изображено голенное звено правой ноги при разгибании, вид спереди.

[0036] На фиг. 11 изображено голенное звено правой ноги при сгибании, вид спереди.

[0037] На фиг. 12 изображено голенное звено правой ноги при одновременном сгибании и супинации, вид спереди.

[0038] На фиг. 13 изображено голенное звено правой ноги с упругим элементом, аксонометрия вид спереди.

[0039] На фиг. 14 изображено голенное звено правой ноги с упругим элементом, аксонометрия вид сзади.

[0040] На фиг. 15 изображено голенное звено правой ноги с упругим элементом, вид сбоку.

[0041] На фиг. 16 изображено голенное звено правой ноги с упругим элементом при сгибании, вид сбоку.

[0042] На фиг. 17 изображено голенное звено правой ноги с упругим элементом при разгибании, вид сбоку.

[0043] Следует учесть, что на чертежах представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа предложения, а сопутствующее оборудование, хорошо известное специалистам в данной области, на чертежах не представлено.

[0044] Как показано на фиг. 1-3 и фиг. 6, 7 голенное звено для ортеза нижних конечностей или экзоскелета содержит опорный (несущий) элемент 10, предназначенный для соединения с голенью ноги человека-носителя.

[0045] На опорном элементе 10 расположены оси 11 и 12. На оси 11 на подшипниках 13 и 14 установлен первый рычаг 20. На оси 12 на подшипниках 15 и 16 установлен второй рычаг 30.

[0046] Для соединения с коленным шарниром ортеза или экзоскелета на опорном элементе 10 установлен соединительный элемент 17, частично охватывающий голень человека-носителя. На соединительном элементе 17 устанавливаются ремни или другие аналогичные средства, предназначенные для закрепления голенного звена на голени человека-носителя.

[0047] Первый рычаг 20 включает в себя основание 21 и кронштейн 22. Конец кронштейна 22 имеет изогнутую форму, повернутую в сторону голени человека-носителя, и лежит в плоскости, параллельной сагиттальной. На конце кронштейна 22 расположена ось 23, также лежащая в плоскости, параллельной сагиттальной.

[0048] Второй рычаг 30 включает в себя основание 31, имеющее первое плечо 31а и второе плечо 31b (см. фиг. 6, 7), кронштейн 32, расположенный на первом плече, и кронштейн 33, расположенный на втором плече. Концы кронштейнов 32 и 33 имеют изогнутую форму, повернутую в сторону голени человека-носителя, и лежат в плоскости, параллельной сагиттальной. На конце кронштейнов 32 и 33 расположены соответственно ось 34 и ось 35, также лежащие в плоскости, параллельной сагиттальной.

[0049] Для подгонки голенного звена под конкретного человека-носителя длина рычагов 20 и 30 может меняться. Для этого кронштейн 22 установлен на основании 21 и, соответственно, кронштейны 32 и 33 на основании 31, с возможностью перемещения с последующей фиксацией. Фиксация кронштейна 22 на основании 21 и кронштейнов 32, 33 на основании 31 может осуществляться любым известным из уровня техники способом. В данном конкретном примере реализации фиксация осуществляется посредством пальцев 24, 36, 37, вставляемых в отверстие из ряда отверстий, выполненных на основании 21 и кронштейне 22 и, соответственно, на основании 31 и кронштейнах 32 и 33.

[0050] Первая стойка 40 содержит первую 41 и вторую 42 части. На верхнем конце первой части 41 расположены подшипники 43 и 44. Подшипник 43 установлен на оси 23 первого рычага 20, а подшипник 44 установлен на оси 34 второго рычага 30, образуя при этом шарнирные соединения первой стойки 40 с первым рычагом 20 и первым плечом 31а второго рычага 30. На нижнем конце второй части 42 выполнена проушина 45 с установленной в ней осью 46.

[0051] Вторая стойка 50 содержит первую 51 и вторую 52 части. На верхнем конце первой части 51 расположен подшипники 53. Подшипник 53 установлен на оси 35 второго рычага 30, образуя при этом шарнирное соединение второй стойки 50 со вторым плечом 31b второго рычага 30. На нижнем конце второй части 52 выполнена проушина 54 с установленной в ней осью 55.

[0052] Изменение длины стоек 40 и 50 для индивидуальной подгонки под человека-носителя происходит аналогично рычагам 20 и 30 за счет перемещения первых частей 41 и 51 относительно вторых частей 42 и 52 соответственно. Фиксация в данном примере выполнения осуществляется пальцами 47 и 56 в отверстиях, выполненных соответственно в частях 41, 42 и 51, 52 стоек 40 и 50.

[0053] Подшипники 43, 44 первой стойки 40 и подшипник 53 второй стойки 50 для обеспечения самоустановки стоек 40 и 50 могут быть установлены на соответствующих осях рычагов 20 и 30 с возможностью осевого перемещения, ограниченного анатомическими особенностями человека-носителя.

[0054] Опора ступни 60 включает в себя основание 61 с кронштейнами 62 и 63, расположенными соответственно на первой и второй боковой стороне опоры ступни 60. На кронштейне 62 установлена проушина 64 с осью 65, а на кронштейне 63 установлена проушина 66 с осью 67.

[0055] Соединение опоры ступни 60 с первой 40 и второй 50 стойками осуществляется при помощи шарниров 70, имеющих две степени свободы. В данном конкретном примере шарнир 70 выполнен в виде сухаря 71 с взаимно перпендикулярными отверстиями 72 и 73.

[0056] Сухарь 71 шарнира 70, соединяющего опору ступни 60 с первой стойкой 40 установлен в проушине 64 на кронштейне 62 и проушине 45 второй части 42 стойки 40. При этом ось 65 расположена в отверстии 72, а ось 46 - в отверстии 73 сухаря 71. Аналогично, для шарнира 70, соединяющего опору ступни 60 со второй стойкой 59, сухарь 71 установлен в проушине 66 на кронштейне 63 и проушине 54 второй части 52 стойки 50. При этом ось 66 расположена в отверстии 72, а ось 55 - в отверстии 73 сухаря 71.

[0057] Как показано на фиг. 4 и фиг. 5 между сухарем 71 и осью 46 в отверстии 73 расположен упругий элемент 74, выполненный, например, в виде резиновой втулки. Между сухарем 71 и осью 65 в отверстии 72 расположен упругий элемент 75, также выполненный, например, в виде резиновой втулки. Между сухарем 71 и проушиной 64 расположены упругие элементы 76, выполненные в виде резиновой шайбы.

[0058] Упругие элементы 74 выполняют функцию компенсации возможных неточностей изготовления и сборки, перекосов, а также некоторой амортизации. Назначение упругих элементов 75 и 76 будет показано далее.

[0059] При движении человека-носителя его голеностопный сустав совершает сгибание-разгибание и супинацию-пронацию. За функцию сгибания-разгибания в заявляемом голенном звене отвечает шарнир 70 при вращательном движении проушин 64, 66 и, следовательно, опоры стопы 60 вокруг оси 65.

[0060] За функцию супинации-пронации в заявляемом голенном звене отвечает шестизвенный механизм, включающий в себя опорный элемент 10, первый рычаг 20, второй рычаг 30, первую стойку 40, вторую стойку 50 и опору ступни 60. Такой механизм обеспечивает наиболее точное соответствие движению голеностопного сустава человека и, кроме того, обеспечивает повышенную нагрузочную способность за счет более равномерного распределения усилий на стойки.

[0061] Из анатомии человека известно, что здоровый человек может сгибать голеностопный сустав (подошвенное сгибание) на угол около 50°, разгибать голеностопный сустав (тыльное сгибание) на угол около 30°. Также у здорового человека в голеностопном суставе возможна супинация на угол около 50° и пронация на угол около 25°.

[0062] Таким образом, при использовании голенного звена в экзоскелетах для больных или в активных экзоскелетах, для предотвращения травм углы поворота шарниров 70 и шестизвенного механизма должны быть ограничены указанными выше величинами. Для ограничения могут быть использованы любые возможные известные из уровня техники упоры, фиксаторы и т.п. В данном случае выполнения для ограничения супинации-пронации используются упоры 18 и 19 (фиг. 8 и фиг. 9).

[0063] Углы сгибания-разгибания голенного звена в данном примере ограничивают упругие элементы 75 и 76, работающие на кручение. В другом варианте выполнения функцию ограничения может выполнять пневмопружина 80, шарнирно закрепленная корпусом 81 на опорном элементе 10, а штоком 82 на пяточной части 67 опоры стопы 60 (фиг. 13, 14, 15). В этом случае упругие элементы 75 и 76 работают аналогично упругим элементам 74 для компенсации возможных неточностей и перекосов, а также некоторой амортизации.

[0064] Вместо пневмопружины 80 могут быть использованы пружины сжатия-растяжения или привод линейного перемещения различного типа: электромеханический, гидравлический, пневматический.

[0065] Хотя в данном документе были описаны различные стороны осуществления заявленного изобретения, специалистам в данной области техники понятно, что возможны другие подходы к осуществлению представленного изобретения. Различные стороны и реализация данного изобретения изложены в настоящем описании в иллюстративных целях и не подразумевают ограничения, причем объем защиты настоящего изобретения указан в нижеследующей формуле изобретения.

1. Голенное звено ортеза или экзоскелета, содержащее

- опорный элемент, предназначенный для соединения с голенью ноги человека-носителя,

- установленный на опорном элементе с возможностью поворота первый рычаг,

- установленный на опорном элементе с возможностью поворота второй рычаг, имеющий два плеча,

- первую стойку, верхним концом шарнирно соединенную с первым рычагом и первым плечом второго рычага,

- вторую стойку, верхним концом шарнирно соединенную со вторым плечом второго рычага,

- опору ступни, соединенную первой боковой стороной с нижним концом первой стойки и второй боковой стороной с нижним концом второй стойки при помощи шарниров, имеющих, по крайней мере, две степени свободы.

2. Голенное звено по п. 1, отличающееся тем, что, по крайней мере, одна степень свободы шарниров ограничена углами сгибания-разгибания голеностопного сустава человека.

3. Голенное звено по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено установленным на опорном элементе соединительным элементом, частично охватывающим голень человека-носителя и предназначенным для закрепления на голени человека-носителя и для соединения с коленным шарниром ортеза или экзоскелета.

4. Голенное звено по п. 1, отличающееся тем, что первая и вторая стойки выполнены с возможностью изменения их длины.

5. Голенное звено по п. 1, отличающееся тем, что плечи первого и второго рычагов выполнены с возможностью изменения их длины.

6. Голенное звено по п. 1, отличающееся тем, что концы первого и второго рычагов повернуты и расположены в плоскости, параллельной сагиттальной плоскости.

7. Голенное звено по п. 6, отличающееся тем, что каждое шарнирное соединение стоек с рычагами образовано осью, расположенной на конце соответствующего рычага и подшипником, расположенным на соответствующей стойке.

8. Голенное звено по п. 7, отличающееся тем, что подшипники установлены на осях с возможностью ограниченного осевого перемещения.

9. Голенное звено по п. 1, отличающееся тем, что каждый шарнир, соединяющий соответствующую стойку с опорой ступни образован сухарем, имеющим два взаимно перпендикулярных отверстия и расположенным в проушинах, выполненных на соответствующих стойке и боковой стороне опоры ступни, и пальцами (осями), расположенными в отверстиях сухаря и закрепленными на соответствующей проушине.

10. Голенное звено по п. 9, отличающееся тем, что между сухарем и проушиной боковой стороны опоры ступни, а также между пальцами и внутренней поверхностью отверстий сухаря расположены упругие элементы.

11. Голенное звено по любому из пп. 1-10, отличающееся тем, что дополнительно содержит механический и/или пневматический упругий элемент, шарнирно соединенный одним концом с опорным элементом, а другим концом с пяточной частью опоры ступни.

12. Голенное звено по любому из пп. 1-10, отличающееся тем, что дополнительно содержит привод линейного перемещения, шарнирно соединенный одним концом с опорным элементом, а другим концом с пяточной частью опоры ступни.