Экзоскелет на тазобедренный сустав
Киберноги Honda притопали на завод перед визитом в дом престарелых
Когда речь заходит об экзоскелете для нижней части тела, а попросту — о киберштанах, нам почему-то вспоминается мульт «Уоллес и Громит». Одним из творений рассеянного и легкомысленного изобретателя Уоллеса были как раз самоходные портки, с которыми не раз случались забавные казусы: капризная вещица проявляла норов и была способна «прогулять» своего хозяина совсем не туда, куда он хотел бы.
Уоллес и Громит (Wallace and Gromit) на себе испытали, что такое «штаны с характером»
(кадры с сайта animated-views.com).
В каждой шутке, как известно, доля шутки. Соединить несколько «палочек» шарнирами, снабдив их электромоторчиками — дело недолгое. А вот сделать так, чтобы эта конструкция помогала ходьбе, но при этом не стесняла человека, а чутко реагировала на движения, — очень даже непросто.
Богатый опыт постепенного совершенствования «умного» ASIMO, пожалуй, самого сложного ходячего человекоподобного робота на планете, а также собственные исследования по биомеханике человеческой ходьбы позволили компании Honda создать свою версию киберштанов, пользование которыми, как уверяют инженеры, простое и интуитивное.
Компания обнародовала новый силовой экзоскелет для ног в красный день календаря – 7 ноября.
Как и раньше, устройство называется Walking assist device (первый и при этом необычайно портативный «ножной» экзоскелет под таким же именем Honda представила в апреле нынешнего года).
Только теперь к названию прибора добавлено With Bodyweight Support System, читай — с поддержкой пятой точки. И не зря. Фактически перед нами совершенно другая система.
Для надевания Walking assist вовсе не требуется застёгивать вокруг ног или пояса многочисленные ремни, как это было с аппаратами-предшественниками. Достаточно обуться в ботинки (являющиеся частью устройства) да приподнять сиденье, венчающее киберноги, и можно отправляться в путь.
Машина следует за движениями человека, при этом она направляет своё усилие так, чтобы оно проходило через центр тяжести владельца. Это помогает ему держать равновесие. Более того, аппарат учитывает при регулировке усилия различные позы.
Так, во время ходьбы компьютер командует парой электромоторов сообразно сигналам с датчиков в подошвах механизма.
А ещё машина учитывает угол сгибания коленей. Если человек перемещается в полуприседе или поднимается по лестнице, усилие моторов, поддерживающих вес владельца, будет увеличено.
Walking assist на данный момент — это вершина исследований, ведущихся Honda с 1999 года. Главная цель — подарить радость движения старикам, ещё способным ходить, но уже с трудом. А второе предназначение киберштанов — оснащение рабочих на конвейере.
Вот тут, кстати, пригодится и движение вприсядку (в ходе сборки авто куда только не приходится залезать), и помощь при подъёме тяжестей.
Что до ограничения времени активной работы на одной зарядке батареи, полагаем, авторам «усилителя ног» нетрудно будет предусмотреть смену заранее заряженных аккумуляторов или даже переодевание рабочих в новые «штаны» на время заправки первых.
Инженер Honda Дзюн Асихара (Jun Ashihara) считает, что аппарат понравится и тем, кому по долгу службы приходится проходить большие расстояния. «Он должен быть предельно прост в использовании, как велосипед, — говорит Асихара. — Он уменьшает стресс, и вы чувствуете себя менее уставшим».
Во всех случаях владельцы чудо-машинки оценят, насколько она уменьшает нагрузку на мышцы и суставы ног (бёдра, колени, лодыжки).
Как гласит пресс-релиз компании, с нынешнего месяца начинаются испытания Walking assist на автомобильном заводе Honda в Сайяме (Sayama).
Именно сборщики первыми смогут выявить все достоинства и недостатки разработки. Но уже сейчас можно сказать о её главных преимуществах перед аналогами: низкий вес и эстетичность.
Кстати, одним из этих прототипов был японский же костюм HAL. Ныне японская компания Cyberdyne фактически поставила разработку университета Цукубы (Tsukuba University) на поток (страница продукта теперь соответственно — HAL).
Пока — для рынка Японии, но через некоторое время намечен выход в Европу, а потом и в другие части света.
Вот только цена такого костюма сравнима со стоимостью авто бизнес-класса. Он не по карману даже многим госпиталям (а ведь одна из задач экзоскелета — помощь медсёстрам и сиделкам, помогающим, в свою очередь, пациентам).
Потому массовому пользователю недавно была предложена упрощённая версия HAL — только низ. Эти киберштаны компания отдаёт в аренду за $2 тысячи в месяц.
Что дальше? Логичным развитием экзоскелетов можно посчитать разнообразные ходячие кресла, вроде Toyota i-foot или HUBO-FX1.
Красота! Тут совсем напрягаться не нужно.
Но здесь уже и не приходится говорить о компактности механизма. И, скажем, применение подобных штуковин внутри помещений ограничено в силу габаритов ходячих машин. А при поломке такое кресло с собой не унесёшь – это же целое транспортное средство.
Полагаем, развитие «усилителей» мышц должно пойти в противоположную сторону – минимизации. Те же киберштаны со временем, быть может, утончатся настолько, что их можно будет надевать не на, а под штаны обычные.
А главное – поскольку тут нет никакого автономного «самоуправления», с Honda Walking assist device приключения Уоллеса нам не грозят. Посмотрим на них лучше в кино.
Мембрана
Портал «Вечная молодость» www.vechnayamolodost.ru
12.11.2008
Источник
Изобретение относится к медицине. Тазобедренный сустав экзоскелета содержит поясничный ремень для крепления тазобедренного сустава к поясу человека, прикрепленный к поясничной пластине, с которой соединен кронштейн, имеющей форму лодочки, скрепленный болтами с вилкой. Концы вилки жестко закреплены на торцевых пазах центрального стержня. Центральный стержень установлен в отверстиях пары втулок, которые вставлены друг в друга, расположены перпендикулярно продольной оси центрального стержня и образуют степень подвижности тазобедренного сустава во фронтальной плоскости. Концы внутренней втулки вставлены с возможностью вращения в пару втулок, расположенных соосно с втулками и имеющих противоположные концы, приваренные к внутренней поверхности кольца так, что продольная ось кольца перпендикулярна к осям втулок и центральному стержню. На наружной поверхности кольца жестко закреплен статор электродвигателя, соединенный с электрическим аккумулятором, ротор электродвигателя удерживается роликами, образующими радиально-упорные подшипники. Устройство снабжено волновой передачей с телами качения, состоящей из входного звена с двумя эксцентриками, сепаратора, в котором расположены тела качения — ролики, и который жестко соединен с кольцом. Жесткое колесо с внутренним профилем является выходным звеном волновой передачи. К наружной поверхности жесткого колеса жестко закреплен стержень, снабженный элементами крепления к ноге человека. Тела качения — ролики волновой передачи выполняют также функцию опорного подшипника выходного звена тазобедренного сустава экзоскелета. Изобретение обеспечивает повышение эксплуатационных и эргономических характеристик, а также надежность за счет обеспечения возможности создания простого тазобедренного сустава экзоскелета, не стесняющего движения человека, усиливающего работу мышц с помощью электропривода и ослабляющего нагрузку на опорно-двигательный аппарат человека после разрядки аккумулятора. 3 ил.
Изобретение относится к медицине и может найти применение в военной, медицинской и МЧС-технике в качестве изделия медицинского назначения, используемого для разных нужд.
Известно устройство для разгрузки тазобедренного сустава, крепящееся посредством шарнира к поясному ремню на теле человека и состоящее из двух соединенных посредством шарнира пластин, закрепленных на голени и бедре, позволяющее осуществлять индивидуальную подгонку к ноге человека (см., например, описание изобретения к патенту РФ №2200529, кл. A61H 1/02, опубл. 20.03.2003).
Недостатком данного устройства являются его ограниченные возможности, поскольку оно предусматривает наличие одной степени подвижности и не дополнительных приводов.
Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа тазобедренный сустав экзоскелета, содержащий парные втулки и кольца, установленные с возможностью вращения относительно друг друга, при этом две пары вращения образуют карданный шарнир с двумя степенями подвижности, одна ось которой расположена в сагиттальной, а вторая во фронтальной плоскости, опорное устройство, а также электромеханический привод, неподвижную втулку, снабженную элементами крепления к поясничной пластине с прикрепленными к ней несущей рамой и поясничным ремнем, образующие карданный шарнир, обеспечивающий две степени подвижности. При перемещении бедра вперед происходит вращение внутреннего кольца во внешнем, и нога движется вперед, а перемещение ноги вбок обеспечивается вращением обоих колец в ложе крепящемся к бедру, за счет крепления основания к поясному ремню на теле человека (см., например, описание изобретения к патенту США №8,313,448, кл. A61H 1/00, A61F 5/00, A61B 5/117, опубл. 10.02.2010).
Недостатком данного устройства является обеспечение только двух степеней подвижности, что сковывает движение человека и ограничивает его в преодолении неровностей поверхности земли. Кроме того, конструкция тазобедренного сустава экзоскелета из-за последовательно расположенных вдоль продольной оси механической передачи электродвигателя имеет слишком большие габариты в фронтальной плоскости, из-за которых могут задеваться окружающие предметы, что ограничивает области его применения и снижает надежность конструкции.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении эксплуатационных и эргономических характеристик, а также надежности за счет обеспечения возможности создания простого тазобедренного сустава экзоскелета, не стесняющего движения человека, усиливающего работу мышц с помощью электропривода и ослабляющего нагрузку на опорно-двигательный аппарат человека после разрядки аккумулятора.
Указанный технический результат достигается тем, что в тазобедренный сустав экзоскелета, содержащий поясничный ремень для крепления тазобедренного сустава к поясу человека, прикрепленный к поясничной пластине, с которой соединен кронштейн, имеющей форму лодочки, скрепленный болтами с вилкой, концы вилки жестко закреплены на торцевых пазах центрального стержня, центральный стержень установлен в отверстиях пары втулок, которые вставлены друг в друга, расположены перпендикулярно продольной оси центрального стержня и образуют степень подвижности тазобедренного сустава во фронтальной плоскости, концы внутренней втулки вставлены с возможностью вращения в пару втулок, расположенных соосно с втулками и имеющих противоположные концы, приваренные к внутренней поверхности кольца так, что продольная ось кольца перпендикулярна осям втулок и центральному стержню; на наружной поверхности кольца жестко закреплен статор электродвигателя, соединенный с электрическим аккумулятором, ротор электродвигателя удерживается роликами, образующими радиально-упорные подшипники, устройство снабжено волновой передачей с телами качения, состоящей из входного звена с двумя эксцентриками, сепаратора, в котором расположены тела качения — ролики, и который жестко соединен с кольцом, жесткое колесо с внутренним профилем является выходным звеном волновой передачи, к наружной поверхности жесткого колеса жестко закреплен стержень, снабженный элементами крепления к ноге человека, тела качения — ролики волновой передачи выполняют также функцию опорного подшипника выходного звена тазобедренного сустава экзоскелета.
Заявленная совокупность существенных признаков находится в прямой причинно-следственной связи к достигаемому результату.
Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию ″новизна″, так как оно не известно из уровня техники. Предложенный способ является промышленно применимым существующими техническими средствами и соответствует критерию ″изобретательский уровень″, так как он явным образом не следует из уровня техники.
Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения.
Других известных технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками заявителем не обнаружено.
На фиг. 1 представлен продольный разрез тазобедренного сустава, на фиг. 2 представлено поперечное сечение А-А тазобедренного сустава, на фиг. 3 представлена сборка элементов тазобедренного сустава.
Предлагаемый тазобедренный сустав экзоскелета построен по принципу карданного подвеса с тремя степенями подвижности.
Тазобедренный сустав экзоскелета содержит поясничный ремень 1 для крепления тазобедренного сустава к поясу человека, прикрепленный к поясничной пластине 2, с которой соединен кронштейн 3, имеющей форму лодочки, скрепленный болтами с вилкой 4. Концы вилки 4 жестко закреплены на торцевых пазах 5 центрального стержня 6. Центральный стержень 6 установлен в отверстиях пары втулок 7 и 8, которые вставлены друг в друга, расположены перпендикулярно продольной оси центрального стержня 6 и образуют степень подвижности тазобедренного сустава во фронтальной плоскости. Концы внутренней втулки 7 вставлены с возможностью вращения в пару втулок 9, расположенных соосно с втулками 7 и 8. Противоположные концы втулок 9 приварены к внутренней поверхности кольца 10 так, что продольная ось кольца 10 перпендикулярна к осям трубок 7 и 8 и центральному стержню 6.
Втулки 7 и 8 с втулками 9 образуют степень подвижности тазобедренного сустава в вертикальной плоскости.
На наружной поверхности кольца 10 жестко закреплен статор электродвигателя 11, соединенный для работы в автономных полевых условиях с электрическим аккумулятором (не показан). Ротор электродвигателя 12 удерживается роликами, образующими радиально-упорные подшипники 13 и 14. Устройство снабжено волновой передачей с телами качения, состоящими из входного звена 15 с двумя эксцентриками, сепаратора 16, в котором расположены тела качения — ролики 17, и который жестко соединенные с кольцом 10. Жесткое колесо 18 с внутренним профилем является выходным звеном волновой передачи. К наружной поверхности жесткого колеса 18 жестко закреплен стержень, снабженный элементами крепления к ноге человека. Тела качения — ролики 17 волновой передачи выполняют также функцию опорного подшипника выходного звена тазобедренного сустава экзоскелета.
Тазобедренный сустав работает следующим образом.
При подаче сигнала управления на электродвигатель сустава экзоскелета, ротор электродвигателя 12 начинает вращаться и через элементы волновой передачи — входное звено 15 за счет эксцентриков создает возвратно-поступательное движение тел качения — роликов 17, которые, действуя на профиль жесткого колеса, поворачивают выходное жесткое колесо 18 со стержнем 19 и закрепленной с ним ногой в заданном направлении в сагиттальной плоскости. Движение ноги, связанное с неровностями поверхности (лестница или обход камня и т.п.), не вызывает сопротивления сустава экзоскелета за счет наличия степеней подвижности во фронтальной плоскости (втулок 7 и 8 относительно центрального стержня 6) и в вертикальной плоскости (втулки 9 относительно втулок 7 и 8).
При отсутствии сигнала управления, например при разрядке аккумулятора, человек с экзоскелетом совершает свободное движение ноги в сагиттальной плоскости за счет обратимости и высокого КПД волновой передачи с телами качения (КПД составляет не менее 0,85 при работе в режиме мультипликатора). Движение от ноги со стержнем 19 и жестким колесом 18 передается на тела качения — ролики 17, которые, совершая возвратно-поступательное движение, заставляет поворачиваться эксцентрики входного звена 15 вместе с ротором электродвигателя 12.
Таким образом, предлагаемый тазобедренный сустав экзоскелета за счет введения дополнительной степени подвижности, реализованной парой втулок, а также использования в качестве механической передачи — волновой передачи с телами качения, выполненной по кинематической схеме с неподвижным сепаратором, электродвигателя с обращенным ротором (расположенным снаружи статора) и коаксиальной их установкой имеет три степени подвижности, что обеспечивает свободное копирование движений человеческих конечностей; усиление мышечной энергии движения в наиболее нагруженной сагиттальной плоскости бедра и лучшие эксплуатационные и эргономические характеристики.
Применение изобретения обеспечивает наилучшим образом создание экзоскелета с расширенными функционально-технологическими возможностями, которые позволили бы с нагрузкой даже танцевать, а не только ходить.
Тазобедренный сустав экзоскелета содержащий поясничный ремень для крепления тазобедренного сустава к поясу человека, прикрепленный к поясничной пластине, с которой соединен кронштейн, имеющей форму лодочки, скрепленный болтами с вилкой, концы вилки жестко закреплены на торцевых пазах центрального стержня, центральный стержень установлен в отверстиях пары втулок, которые вставлены друг в друга, расположены перпендикулярно продольной оси центрального стержня и образуют степень подвижности тазобедренного сустава во фронтальной плоскости, концы внутренней втулки вставлены с возможностью вращения в пару втулок, расположенных соосно с втулками и имеющих противоположные концы, приваренные к внутренней поверхности кольца так, что продольная ось кольца перпендикулярна к осям втулок и центральному стержню; на наружной поверхности кольца жестко закреплен статор электродвигателя, соединенный с электрическим аккумулятором, ротор электродвигателя удерживается роликами, образующими радиально-упорные подшипники, устройство снабжено волновой передачей с телами качения, состоящей из входного звена с двумя эксцентриками, сепаратора, в котором расположены тела качения — ролики и который жестко соединен с кольцом, жесткое колесо с внутренним профилем является выходным звеном волновой передачи, к наружной поверхности жесткого колеса жестко закреплен стержень, снабженный элементами крепления к ноге человека, тела качения — ролики волновой передачи выполняют также функцию опорного подшипника выходного звена тазобедренного сустава экзоскелета.
Источник