РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(19) RU (11) 225 633 (13) U1 (51) МПК A61H 3/00 (2006.01) B25J 9/00 (2006.01)

(54) Пневматический экзоскелет для нижних и верхних конечностей

Полезная модель относится к устройствам для удовлетворения жизненных потребностей человека и может быть использована в туризме, при проведении спасательных и армейских операций, при выполнении различных технологических операций, а также для механизации погрузочно-разгрузочных, транспортных и складских работ.

Известен пневматический экзоскелет, состоящий из шарниров, опорных стоек и крепежных ремней, отличающийся тем, что он содержит самоактивируемый пневмоаккумулятор, спинной упор, к которому при помощи шарниров крепят бедренные и голенные стойки, при этом пневмоаккумулятор состоит из воздухонепроницаемой оболочки, на которой с противоположных сторон расположены ручки сворачивания и клапан запирания воздуха, внутри воздухонепроницаемой оболочки расположен упругий каркас, а спинная стойка, бедренные и голенные стойки снабжены гибкими пластинами прижатия и состоят из опорных пластин, снабженных тыльными упорами (см. патент РФ №2747593 от 11.05.2021, бюл. №14).

Недостатком данного устройства является то, что для его работы необходимо применение внешнего источника питания для подзарядки пневмоаккумулятора, а также в данном устройстве отсутствует возможность регулировки давления в пневмосистеме, что сужает возможность его применения. Все это снижает эксплуатационную эффективность и функциональность работы устройства.

Пневматический экзоскелет для нижних конечностей, включающий в себя модуль крепления и силовой модуль, причем модуль крепления содержит каркас, соединенный шарнирно с тазобедренными и бедренными звеньями, при этом с бедренным звеном соединено с помощью шарнира голенное звено, силовой модуль включает в себя устройство управления и электропневматическое средство, которое включает в свой состав два пневмоцилиндра и средство подготовки воздуха, включающее в себя компрессор, пневмоаккумулятор, блок подготовки для очистки сжатого воздуха и регулятор давления для установки контролируемого датчиками давления, причем средство подготовки воздуха соединено нагнетательными линиями с пневмоцилиндрами, а в нагнетательных линиях установлены управляемые пневмораспределители, регулируемые дроссели и обратные клапаны, причем один пневмоцилиндр установлен на каркасе, а его конец шарнирно соединен с бедренным звеном, а другой пневмоцилиндр установлен на бедренном звене, а его конец шарнирно соединен с голенным звеном, при этом каркас, бедренное звено и голенное звено выполнены с возможностью при помощи гибких эластичных ремней крепиться к спине, бедру и голени человека соответственно, устройство управления электрически связано с бортовым источником энергии и включает в себя микроконтроллер, датчики давления, установленные на стопе, и датчики углов поворота, установленные на шарнирах, при этом устройство управления выполнено с возможностью подачи питающего напряжения на компрессор при поступлении в него сигнала от датчика давления при совершении движения нижней конечностью, компрессор выполнен с возможностью нагнетать сжатый воздух для наполнения пневмоаккумулятора, обратные клапаны, регулируемые дроссели и управляемые пневмораспределители выполнены с возможностью подачи через них сжатого воздуха в пневмоцилиндры, поршни которых при этом выполнены с возможностью совершать поступательные движения для поворота бедренного звена и голенного звена вокруг соответствующих шарниров на заданные углы от момента отрыва стопы от поверхности, при достижении которых микроконтроллер выполнен с возможностью подачи управляющего сигнала на пневмораспределители для совершения обратного движения поршней пневмоцилиндров до момента касания стопы с поверхностью (см. патент на полезную модель №213133 от 25.08.2022, бюл. №24).

Недостатком данного устройства является то, что оно предназначено только для нижних конечностей, что сужает диапазон его функционального применения.

Задача полезной модели - расширение диапазона функционального применения.

Технический результат, проявляющийся при решении заявленной технической задачи, выражается в эксплуатационной эффективности, а также в обеспечении достаточной функциональности при использовании устройства для работ по переноске и подъему грузов, так и для реабилитации людей с нарушениями опорно-двигательным аппаратом.

Поставленная задача решается тем, что в пневматическом экзоскелете для нижних и верхних конечностей, включающем в себя модуль крепления и силовой модуль, причем модуль крепления содержит каркас, соединенный шарнирно с тазобедренными и бедренными звеньями, а силовой модуль включает устройство управления и электропневматическое средство, которое включает в свой состав средство подготовки воздуха, включающее компрессор, пневмоаккумулятор, блок подготовки для очистки сжатого воздуха и регулятор давления для установки контролируемого датчиками давления, причем средство подготовки воздуха соединено нагнетательными линиями с пневмоцилиндрами, а в нагнетательных линиях установлены управляемые пневмораспределители, регулируемые дроссели и обратные клапаны, устройство управления электрически связано с бортовым источником энергии и включает микроконтроллер, датчики давления, выполненные с возможностью установки на стопе, и датчики углов поворота, установленные на шарнирах, отличается тем, что, каркас посредством шарнира, ось которого расположена в вертикальной плоскости, соединен с концом дополнительного звена, а электропневматическое устройство включает три пневмоцилиндра, причем первый пневмоцилиндр установлен на каркасе, а конец первого пневмоцилиндра шарнирно соединен с бедренным звеном, второй пневмоцилиндр установлен на бедренном звене, а конец второго пневмоцилиндра шарнирно соединен с голенным звеном, третий пневмоцилиндр установлен на дополнительном звене, а конец третьего пневмоцилиндра шарнирно связан с манжетой, выполненной с возможностью установки на предплечье оператора.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что каркас посредством шарнира, ось которого расположена в вертикальной плоскости, соединен с концом дополнительного звена, а электропневматическое устройство включает три пневмоцилиндра, причем первый пневмоцилиндр установлен на каркасе, а конец первого пневмоцилиндра шарнирно соединен с бедренным звеном, второй пневмоцилиндр установлен на бедренном звене, а конец второго пневмоцилиндра шарнирно соединен с голенным звеном, третий пневмоцилиндр установлен на дополнительном звене, а конец третьего пневмоцилиндра шарнирно связан с манжетой, выполненной с возможностью установки на предплечье оператора.

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

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

На фиг. 1 показана схема устройства; на фиг. 2 - схема электропневматической системы управления.

Устройство включает в себя модуль крепления, содержащий каркас 1, на котором с помощью шарнира 2 закреплено бедренное звено 3, которое в свою очередь соединено с помощью шарнира 4 с голенным звеном 5. На каркасе 1 установлено подвижно дополнительное звено 6 с помощью шарнира 7, ось которого расположена в вертикальной плоскости. Каркас 1 и звенья 3 и 5 при помощи гибких эластичных ремней 8, 9 и 10 крепятся к спине, бедру и голени оператора. Силовой модуль включает в себя активный модуль, входящий в электропневматическую систему и устройство управления, размещенное на каркасе (на чертеже не показана) и электрически связанное с бортовым источником энергии и подсистемой управляемых пневмоприводов, включающей в себя пневмоцилиндры. На каркасе 1 установлен первый пневмоцилиндр 11, конец которого шарнирно соединен с бедренным звеном 3. На бедренном звене 3 закреплен второй пневмоцилиндр 12, конец которого шарнирно соединен с голенным звеном 5. На дополнительном звене 6 установлен третий пневмоцилиндр 13, конец которого шарнирно соединен с манжетой 14, выполненной с возможностью установки на предплечье оператора. В состав электропневматической системы кроме пневмоцилиндров входит система подготовки воздуха, включающая в себя компрессор 15, пневмоаккумулятор 16, блок подготовки 17 и регулятор давления 18. Система подготовки воздуха соединена нагнетательными линиями с пневмоцилиндрами 11, 12 и 13. В нагнетательных линиях установлены управляемые 4-2 пневмораспределители 19, регулируемые дроссели 20 и обратные клапаны 21. Устройство управления (на фиг. не показана) включает в себя микроконтроллер, датчики давления, выполненные с возможностью установки на стопе и датчики углов поворота, установленные на шарнирах 2, 4 и плече оператора 24.

Работу устройства можно разбить на две стадии. На первой стадии (при перемещении нижней конечности), сигнал от датчика давления, установленного на стопе 22, поступает в устройство управления, которое в соответствии с заданной программой управления подает питающее напряжение на компрессор 15. Компрессор 15 нагнетает сжатый воздух в пневмосистему, наполняя при этом пневмоаккумулятор 16. Блок подготовки 17 производит очистку сжатого воздуха, а регулятор давления 18 устанавливает заданное давление, которое контролируется датчиками давления. Сжатый воздух по нагнетательным линиям подается через систему обратных клапанов 21, регулируемых дросселей 20 и управляемых пневмораспределителей 19 в пневмоцилиндры 11 и 12. При этом поршни пневмоцилиндров 11 и 12 начинают совершать поступательное движение, а бедренное звено 3 начинает поворот вокруг шарнира 2, а голенное звено 5 поворачивается вокруг шарнира 4. Поворот осуществляется при этом на заданные углы от момента отрыва стопы 22 от поверхности. При достижении заданных углов поворота, микроконтроллер подает управляющие сигналы на пневмораспределители 19, а поршни пневмоцилиндров 11 и 12 начинают совершать обратное движение до момента касания стопы 22 с поверхностью. Затем цикл повторяется. На второй стадии (подъем и перемещение груза) в горизонтальной плоскости осуществляется поворот дополнительного звена 6 относительно шарнира 7, а в вертикальной плоскости поворот предплечья оператора 23 относительно плечевого сустава 24. Для этого микроконтроллер подает управляющие сигналы на пневмораспределитель 15, а поршень пневмоцилиндра 13 начинает совершать поступательное движение, поворачивая предплечье 23 на заданный угол относительно плечевого сустава 24. Таким образом, работа оператора с грузом происходит не только за счет работы мышц руки, но и дополнительно за счет сил, создаваемых при отдаче потенциальной энергии пневмоцилиндра 13.

Применение предлагаемого устройства повышает эксплуатационные характеристики экзоскелета, позволяет добиться при передвижении оператора и переноске грузов плавности за счет применения пневмоприводов, имеющих сравнительно «мягкие» характеристики. Кроме этого, данный экзоскелет может быть использован для реабилитации людей с нарушением опорно-двигательного аппарата.

Формула полезной модели

Пневматический экзоскелет для нижних и верхних конечностей, включающий модуль крепления и силовой модуль, причем модуль крепления содержит каркас, соединенный шарнирно с тазобедренными и бедренными звеньями, а силовой модуль включает устройство управления и электропневматическое средство, которое включает в свой состав средство подготовки воздуха, включающее компрессор, пневмоаккумулятор, блок подготовки для очистки сжатого воздуха и регулятор давления для установки контролируемого датчиками давления, причем средство подготовки воздуха соединено нагнетательными линиями с пневмоцилиндрами, а в нагнетательных линиях установлены управляемые пневмораспределители, регулируемые дроссели и обратные клапаны, устройство управления электрически связано с бортовым источником энергии и включает микроконтроллер, датчики давления, выполненные с возможностью установки на стопе, и датчики углов поворота, установленные на шарнирах, отличающийся тем, что каркас посредством шарнира, ось которого расположена в вертикальной плоскости, соединен с концом дополнительного звена, а электропневматическое устройство включает три пневмоцилиндра, причем первый пневмоцилиндр установлен на каркасе, а конец первого пневмоцилиндра шарнирно соединен с бедренным звеном, второй пневмоцилиндр установлен на бедренном звене, а конец второго пневмоцилиндра шарнирно соединен с голенным звеном, третий пневмоцилиндр установлен на дополнительном звене, а конец третьего пневмоцилиндра шарнирно связан с манжетой, выполненной с возможностью установки на предплечье оператора.