Предлагаемое решение проблемы. Формулировка темы дипломного проекта
В настоящее время командой из ПсковГУ разработывается устройство под названием «Экзоскелетон инвалида». Авторами устройства получен патент на изобретение №2493805.
Изобретение относится к травматологии и ортопедии и может быть использовано для осуществления ходьбы и реабилитации инвалида с нарушенным опорно-двигательным аппаратом, а также в роботостроении при построении шагающих устройств.
Прототипом настоящего изобретения является экзоскелетон по патенту РФ №2110243, но динамические характеристики его низки, функциональные возможности ограничены, и он не может быть использован для ходьбы инвалида.
Техническим результатом, на обеспечение которого направлено заявляемое техническое решение, является экзоскелетон, позволяющий инвалиду с нарушенным опорно-двигательным аппаратом ходить по горизонтальной, или с небольшим наклоном, опорной поверхности, подниматься и спускаться по ступеням, садиться и вставать, используя силы мышц туловища и плеч. К тому же сокращение мышц похоже на сокращение мышц при ходьбе здорового человека. В случае нарушения работоспособности мышц туловища и плеч, конструкция может быть использована как активный экзоскелет, оснащенный двигателем и блоком питания.
Экзоскелетон инвалида содержит траверсу с двумя опорными башмаками, размещенными на опорной поверхности, с шарниром на ее центральной части, в котором размещен палец кривошипа реверсивно вращающегося вала. На концах траверсы размещены шарниры и упорные подшипники, в которых вращаются опорные стойки, снабженные кривошипами, пальцы которых вращаются в шарнирах и упорных подшипниках, размещенных на опорных башмаках, вал соединен с опорными стойками посредством механизма синхронного поворота, экзоскелетон вмонтирован в одетый на человека комбинезон, с помощью которого траверса закреплена на тазобедренной части, ноги соединены с башмаками, а вал связан с мышечной системой туловища и плеч, приводящей его в реверсивное вращение.
Изобретение поясняется изображением представленным на рис.2, где: а) – вид сзади в фазе опоры на две ноги; б) – вид сбоку; в) – вид сзади в фазе шага.
Обозначения на рис.2: 1 – траверса; 2 – стойки; 3 – башмаки; 4 – вал; 5 – параллелограммный механизм синхронного поворота; 6 – рычаги; 7 – опорная поверхность.
Экзоскелетон содержит траверсу 1, на концах которой закреплены шарниры и упорные подшипники. В них вращаются опорные стойки 2. Стойки снабжены кривошипами, пальцы которых установлены под углом и вращаются в шарнирах и упорных подшипниках, установленных на опорных башмаках 3. В центре траверсы 1 установлен шарнир, в котором вращается вал 4. Вал 4 и стойки 2 связаны параллелограммным механизмом 5 синхронного поворота. Вал 4 снабжен рычагами 6. Все сочленения экзоскелетона вмонтированы в комбинезон, выполненный в виде корсета. Комбинезон одет на инвалида, причем с помощью него траверса 1 закреплена
Рис. 2. Экзоскелетон инвалида.
на тазобедренной части, ноги соединены с башмаками 3, а рычаги 6 связаны с мышечной системой туловища и плеч, являющейся приводом вала 4.
В фазе опоры на оба башмака 3 сила тяжести, посредством траверсы 1, распределяется на опорные стойки 2 и ноги, а общий центр тяжести направлен вертикально между площадями опорных башмаков. Горизонтальная составляющая сил при этом равна нулю. Положение инвалида устойчиво, и он с расслабленным состоянием мышц может стоять длительное время.
Фаза шага начинается при появлении внутренней силы мышц туловища и плеч, с помощью которой посредством рычагов 6, в шарнире, установленном в центре траверсы 1, поворачивается ведущий вал 4. Связанные с валом посредством механизма 5 синхронно поворачиваются в шарнирах и упорных подшипниках, закрепленных на концах траверсы, стойки 2. Кривошипы опорных стоек поворачиваются в шарнирах и упорных подшипниках, установленных на башмаках 3. Стойки 2 описывают конические поверхности и, как их образующие, при повороте меняют угол наклона к опорной поверхности и башмакам 3. Изменяется положение связанной со стойками траверсы и тазобедренной части инвалида. При ходьбе инвалид поворачивает туловище и плечо, например левое, вперед. Траверса 1 наклоняется и поднимает правую стойку 2 вместе с башмаком 3 над опорной поверхностью, а левый башмак остается на ней опорным. Вместе с траверсой изменяет положение тазобедренная часть, а корпус инвалида изгибается в сторону поворота плеча. Общий центр тяжести смещается влево и вперед. Система приобретает неустойчивость и под действием момента горизонтальной составляющей силы тяжести, подобно циркулю, поворачивается в шарнире относительно левого опорного башмака. Правый башмак смещается вперед и одновременно опускается на опорную поверхность. Вновь экзоскелетон, опираясь на оба башмака 3, переходит в фазу устойчивого состояния. Начинается новая фаза шага левой ногой.
Подъем по ступеням лестницы происходит следующим образом. Как и при ходьбе, под влиянием сил мышц один опорный башмак проскальзывает по опорной поверхности, но упирается в вертикальную стенку ступени, удерживающую его от поворота. Поднимается над начальной опорной поверхностью и проскальзывает по стенке до уровня опорной поверхности ступени. После чего начинается циркульный поворот экзоскелетона и проскальзывание башмака по опорной поверхности новой ступени. Теперь башмаки располагаются на опорных поверхностях разных уровней, а положение экзоскелетона соответствует фазе устойчивой опоры башмаков на две ступени, и готовности к подъему другого башмака на следующую ступень.
Спуск происходит подобным образом. Находясь обеими башмаками 3 на верхней ступени, инвалид усилием мышц приподнимает один из них. Как при ходьбе по ровной поверхности башмак сдвигается к краю ступени и теряет с ней контакт. После этого происходит реверс поворота плеч и туловища, при котором мышечная система удерживает экзоскелетон от неуправляемого движения вперед. Башмак, проскальзывая по вертикальной стенке ступени, опускается на нижнюю ступень. Экзоскелетон приобретает устойчивость и готовность к дальнейшему спуску.
Путем изменения длины составных опорных стоек 2 инвалид имеет возможность садиться и вставать. Во время уменьшения длины опорных стоек ноги изгибаются в коленных суставах, что имитирует приседание. [2]
Потребителями будут инвалиды с нарушеным опорно-двигательным аппаратом. Также конструкция может применяться в робототехнике при построения шагающих устройств. Кроме этого экзоскелет сможет использовать любой человек для переноски тяжелых грузов.
При университете в настоящий момент организуется малое инвестиционное предприятие направленное на коммерциализацию экзоскелетона.
Несколько организаций проявили интерес и предложили сотрудничество. Это научно-производственное объединение «Андроидная техника» и нанотехнологический центр «Т-НАНО». Кроме этого поступило уже много писем и звонков с вопросами от простых людей.
В дипломном проекте предполагается проектирование не всего экзоскелета, а только стойки с башмаком и их шарнирного соединения. Необходимо будет разработать конструкцию самой стойки и её соединения с кривошипом, конструкцию башмака, а также его шарнирного соединения со стойкой. Тема дипломного проекта будет сформулирована следующим образом: «Разработка и исследование голеностопного шарнира экзоскелета инвалида»