РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(19) RU (11) 225 367 (13) U1 (51) МПК A61H 1/02 (2006.01)

(54) Мехатронное устройство для реабилитации нижних конечностей

Полезная модель относится к области медицины, а именно к роботизированным устройствам для реабилитации нижних конечностей.

Нарушение функциональной активности нижних конечностей и ограничение подвижности в суставах является существенным недостатком в жизнедеятельности человека и не позволяет выполнять все необходимые жизненные потребности человека.

Известна стопа экзоскелета, выполненного с возможностью крепления к ногам пользователя экзоскелета, содержащая шарнирный узел, через который стопа соединена с голенью, отличающаяся тем, что стопа состоит из мобильной и приводной платформ, привода, системы управления, включающей в себя блок задания движения, блок обработки сигналов, блок сравнения, регулятор, датчик угла поворота приводной части, датчик силомоментного очувствления, причем приводная платформа кинематически связана с приводом, а система управления размещена в корпусе, при этом блок задания движения соединен с блоком обработки сигналов, а блок обработки сигналов соединен с блоком сравнения и датчиками угла поворота приводной части и силомоментного очувствления, причем блок сравнения через регулятор соединен с приводом (патент на ПМ №196167, 18.02.2020, бюл. №5).

Недостатком данного устройства является то, что оно может быть использовано для реабилитации только стопы, что снижает диапазон его применения.

Указанные недостатки частично устранены в мехатронном устройстве для реабилитации голеностопного и коленного суставов, включающем неподвижное основание, на котором установлен привод поступательного движения, кинематически связанный с подвижной рамой, ложемент бедра, неподвижно установленный на основании и выполненный для закрепления бедра пациента с помощью манжеты, опорную платформу с элементами крепления голени и стопы, причем опорная платформа состоит из двух частей телескопически соединенных между собой с помощью привода поступательного движения, нижняя часть опорной платформы выполнена для закрепления стопы пациента с помощью двух манжет, соединена шарнирно с подвижной рамой и снабжена приводом вращательного движения, установленным неподвижно на опорной платформе, ось вращения опорной платформы совпадает с осью вращения голеностопного сустава пациента, приводы электрически связаны со средством управления, которое выполнено с возможностью подачи управляющих сигналов на приводы и включает в себя датчики линейного перемещения, выполненные с возможностью отслеживания изменения длины приводов, датчик углового перемещения, выполненный с возможностью отслеживания относительного угла между стопой пациента и основанием, а также тензодатчики, установленные в опорной платформе и выполненные с возможностью регистрировать силу воздействия стопы пациента на опорную платформу для регулировки силы воздействия стопы на опорную платформу, при этом опорная поверхность основания выполнена дугообразной (см. патент на ПМ №221146 от 23.10.2023, бюл. №30).

Недостатком данного устройства является то, что реабилитация пациента может происходить только при его нахождении в вертикальном положении, а также то, что оно предназначено для реабилитации только голеностопного и коленного суставов, что сужает диапазон его функционального применения.

Задача полезной модели - расширение диапазона функционального применения.

Поставленная задача решается тем, что мехатронное устройство для реабилитации нижних конечностей, включающее в себя основание, ложемент бедра, неподвижно установленный на основании и выполненный для закрепления бедра пациента с помощью манжеты, опорную платформу с элементами крепления голени и стопы, причем опорная платформа состоит из двух частей, телескопически соединенных между собой с помощью привода поступательного движения, нижняя часть опорной платформы выполнена для закрепления стопы пациента с помощью двух манжет, приводы электрически связаны со средством управления, которое выполнено с возможностью подачи управляющих сигналов на приводы, а основание выполнено из двух частей, кинематически связанных между собой, причем нижняя часть основания выполнена с возможностью регулировки по высоте и снабжена приводом поступательного движения, верхняя часть основания выполнена с элементами крепления корпуса пациента и снабжена приводом вращательного движения, нижняя часть опорной платформы соединена шарнирно с опорной поверхностью стопы с помощью привода вращательного движения, а средство управления состоит из микроконтроллера, в состав которого входят блок принятия решений, включающий в себя бортовой вычислитель, блок задания движений, блок обработки сигналов, включающий в себя аналого-цифровые преобразователи, фильтры, блок сравнения, причем средство управления включает в себя датчики линейного перемещения, выполненные с возможностью отслеживания изменения длины приводов, датчики углового перемещения, выполненные с возможностью отслеживания относительного угла между стопой пациента и нижней частью основания, относительного угла поворота между верхней и нижней частями основания и относительного угла поворота между бедром и голенью, а также тензодатчик, установленный в нижней части опорной платформы и выполненный с возможностью регистрировать силу воздействия стопы пациента на опорную платформу.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что основание выполнено из двух частей кинематически связанных между собой, причем нижняя часть основания выполнена с возможностью регулировки по высоте и снабжена приводом поступательного движения, верхняя часть основания выполнена с элементами крепления корпуса пациента и снабжена приводом вращательного движения, нижняя часть опорной платформы соединена шарнирно с опорной поверхностью стопы с помощью привода вращательного движения, а средство управления состоит из микроконтроллера, в состав которого входят блок принятия решений, включающий в себя бортовой вычислитель, блок задания движений, блок обработки сигналов, включающий в себя аналого-цифровые преобразователи, фильтры, блок сравнения, причем средство управления включает в себя датчики линейного перемещения, выполненные с возможностью отслеживания изменения длины приводов, датчики углового перемещения, выполненные с возможностью отслеживания относительного угла между стопой пациента и нижней частью основания, относительного угла поворота между верхней и нижней частями основания и относительного угла поворота между бедром и голенью, а также тензодатчик, установленный в нижней части опорной платформы и выполненный с возможностью регистрировать силу воздействия стопы пациента на опорную платформу.

Совокупность заявляемых признаков обеспечивает достижение задачи полезной модели - расширение диапазона функционального применения.

Отличительные признаки в заявляемом техническом решении не выявлены при изучении данной и смежных областей техники.

На фиг. 1, 2 и 3 показана функциональная схема устройства при различных положениях корпуса и нижних конечностей пациента, на фиг. 4 - блок-схема средства управления.

В состав устройства входит рама 1, на которой установлена нижняя часть 2 основания, кинематически связанная с верхней частью 3 основания с помощью привода вращательного движения 4. Нижняя часть 2 выполнена с возможностью регулировки по высоте и связана с приводом поступательного движения 5, установленным неподвижно на раме 1. На нижней части 2 основания установлены ложемент бедра 6 и опорная платформа, состоящая из нижней 7 и верхней частей 8, телескопически связанных между собой и имеющей элементы крепления голени и стопы. Ложемент бедра 6 кинематически связан с верхней частью опорной платформы 8 с помощью привода вращательного движения 10. На верхней части опорной платформы 8 установлен привод поступательного движения 9, кинематически связанный с нижней частью опорной платформы 7. Нижняя часть опорной платформы 7 соединена шарнирно с опорной поверхностью стопы 12 и снабжена приводом вращательного движения 11. Стопа пациента 13 закрепляется на опорной поверхности 12 с помощью манжеты 14, а бедро пациента закрепляется на ложементе 6 с помощью манжеты 15. На нижней части опорной платформы 7 установлен датчик давления 16 выполненный с возможностью регистрировать силу воздействия стопы пациента 13 на нижнюю часть опорной платформы 7. Корпус пациента 17 закрепляется на верхней части 3 основания с помощью системы крепления 18.

Средство управления состоит из микроконтроллера 19, в состав которого входят блок принятия решений, включающий в себя бортовой вычислитель, блок задания движений, блок обработки сигналов, включающего в себя аналого-цифровые преобразователи, фильтры, блока сравнения (на фиг. не показаны), а также датчики углового перемещения 20, 21 и 22, линейного перемещения 23, 24 и давления 25. Микроконтроллер 19 через драйверы 26, 27, 28, 29 и 30 электрически связан с приводами 31, 32, 33, 34 и 35, которые приводят в движение верхнюю часть основания 3, нижнюю часть основания 2, опорную платформу и опорную поверхность 12.

Работа устройства реализуется следующим образом. Корпус пациента 17 фиксируется с помощью системы крепления 18 на верхней части основания 3, бедро пациента закрепляется на ложементе 6 с помощью манжеты 15, а стопа пациента 13 закрепляется на опорной поверхности 12 с помощью манжеты 14. Приводом поступательного движения 5 регулируется высота подъема верхней части 3 основания. Приводом поступательного движения 9 регулируется расстояние между верхней 8 и нижней 7 частями опорной платформы в зависимости от длины голени пациента. От средства управления подаются управляющие сигналы на приводы 4, 10, и 11 для согласованного принудительного сгибания голеностопного, бедренного и тазобедренного суставов пациента по заранее установленной программе, без участия человека.

Работа средства управления реализуется следующим образом. Врач-реабилитолог задает режим работы аппарата. Микроконтроллер 19 формирует сигналы, которые усиливаются драйверами 26, 27, 28, 29 и 30, затем сигнал проступает на электроприводы 31, 32, 33, 34 и 35. Исполнительное звено электропривода 5 поступательного движения изменяет положение верхней части основания 3, в качестве обратной связи выступает датчик линейного перемещения 24. Исполнительное звено привода поступательного движения 9 регулирует расстояние между верхней 8 и нижней 7 частями опорной платформы в зависимости от длины голени пациента, в качестве обратной связи применяется датчик линейного перемещения 23. Электропривод вращательного движения 11 оказывает воздействие на нижнюю часть опорной платформы 7. Роль обратной связи выполняет датчик угла поворота 20, а также датчик давления 25, который регистрирует силу воздействия стопы пациента на нижнюю часть опорной платформы 7. Электропривод 10 при помощи исполнительного звена поворачивает нижнюю часть опорной платформы 7 относительно верхней части 8, роль обратной связи играет датчик угла поворота 23. Электропривод 4 вращательного движения оказывает воздействие на верхнюю часть основания 3, роль обратной связи выполняет датчик угла поворота 21. Информация с датчиков отправляется на микроконтроллер 19, где происходит сравнение заданных величин с действительными, формируя ошибки по управляемым переменным. Исходя из данных ошибок производится корректировка параметров работы устройства.

Использование данного устройства поможет проводить реабилитацию нижних конечностей при различных положениях корпуса пациента, что позволит ускорить процесс восстановления суставов, а также повысить качество реабилитации за счет соблюдения правильных углов наклона стопы пациента, относительных углов наклона между бедром и голенью, а также относительных углов наклона между корпусом пациента и бедром. Кроме того, устройство можно применять для обеспечения движения и крепления мышц, повышения общей работоспособности, улучшения крово- и лимфообращения, обмена веществ в мышцах и суставах, восстановления их функций.

Подобное устройство может быть востребовано, как у профессиональных спортсменов, подверженных травмам такого типа, так и в травматологических отделениях больниц.

Формула полезной модели

Мехатронное устройство для реабилитации нижних конечностей, включающее в себя основание, ложемент бедра, неподвижно установленный на основании и выполненный для закрепления бедра пациента с помощью манжеты, опорную платформу с элементами крепления голени и стопы, причем опорная платформа состоит из двух частей, телескопически соединенных между собой с помощью привода поступательного движения, нижняя часть опорной платформы выполнена для закрепления стопы пациента с помощью двух манжет, приводы электрически связаны со средством управления, которое выполнено с возможностью подачи управляющих сигналов на приводы, отличающееся тем, что основание выполнено из двух частей, кинематически связанных между собой, причем нижняя часть основания выполнена с возможностью регулировки по высоте и снабжена приводом поступательного движения, верхняя часть основания выполнена с элементами крепления корпуса пациента и снабжена приводом вращательного движения, нижняя часть опорной платформы соединена шарнирно с опорной поверхностью стопы с помощью привода вращательного движения, а средство управления состоит из микроконтроллера, в состав которого входят блок принятия решений, включающий в себя бортовой вычислитель, блок задания движений, блок обработки сигналов, включающий в себя аналого-цифровые преобразователи, фильтры, блок сравнения, причем средство управления включает в себя датчики линейного перемещения, выполненные с возможностью отслеживания изменения длины приводов, датчики углового перемещения, выполненные с возможностью отслеживания относительного угла между стопой пациента и нижней частью основания, относительного угла поворота между верхней и нижней частями основания и относительного угла поворота между бедром и голенью, а также тензодатчик, установленный в нижней части опорной платформы и выполненный с возможностью регистрировать силу воздействия стопы пациента на опорную платформу.