Голеностопное звено ортеза или экзоскелета

Изобретение относится к медицине. Голеностопное звено ортеза или экзоскелета, содержит базовый элемент, первый рычаг, первую стойку, вторую стойку и опору ступни. Первый рычаг установлен на базовом элементе с возможностью поворота. Первая стойка верхним концом шарнирно соединена с первым рычагом. Вторая стойка верхним концом шарнирно соединена с базовым элементом. Опора ступни соединена 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. Изобретение обеспечивает повышение устойчивости и безопасности человека-оператора. 12 з.п. ф-лы; 17 ил.

 

[0001] Заявляемое изобретение относится к области удовлетворения жизненных потребностей человека и может быть использовано в медицине, в частности, при лечении пациентов с утратой или нарушением локомоторной функции нижних конечностей. Основное назначение изобретения - восстановление/формирование компенсаторной ходьбы и/или улучшение походки у лиц с нарушенной, утраченной или несформированной способностью к управлению движениями нижних конечностей и, кроме того, улучшение физического состояния и качества жизни отдельных групп пациентов.

[0002] Изобретение может быть использовано при реабилитации лиц, утративших двигательные возможности вследствие травм и заболеваний позвоночника, черепно-мозговой травмы, инсульта и иных заболеваний, приводящих к центральным параличам, а также из-за пороков или нарушения развития центральной нервной системы, включая детский церебральный паралич.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] 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.

[0006] 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, ограничивающих боковую амплитуду (вправо-влево) колебания стопы, во избежание повреждения связок.

[0007] 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.

[0008] 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 человеко-машинной системы оператор - экзоскелет.

[0009] Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении арсенала технических средств голенных звеньев для ортезов и экзоскелетов за счет создания универсального звена, пригодного для носителей с различной степенью подвижности голеностопного сустава.

[0010] Кроме того, техническим результатом также является повышение устойчивости и безопасности человека-оператора.

[0011] Указанный технический результат достигается за счет того, что голеностопное звено ортеза или экзоскелета содержит базовый элемент, первый рычаг, первую стойку, вторую стойку и опору ступни.

[0012] Первый рычаг установлен на базовом элементе с возможностью поворота. Первая стойка верхним концом шарнирно соединена с первым рычагом, а вторая стойка верхним концом шарнирно соединена с базовым элементом. Опора ступни соединена 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.

[0013] В конкретном случае исполнения базовый элемент может быть выполнен с возможностью соединения с голенью ноги человека-носителя.

[0014] В конкретном случае исполнения голеностопное звено может быть снабжено установленными на базовом элементе соединительными элементами, расположенными по бокам голени человека-носителя и предназначенными для соединения с коленным шарниром ортеза или экзоскелета.

[0015] В частном случае исполнения соединительные элементы могут быть выполнены с возможностью регулирования своего положения в горизонтальной плоскости относительно базового элемента.

[0016] Предпочтительным является такое выполнение голеностопного звена, в котором первая и вторая стойки могут быть выполнены с возможностью изменения их длины.

[0017] В частном случае исполнения первый рычаг может быть выполнен с возможностью ограничения его поворота или с возможностью фиксации в заданном положении.

[0018] Предпочтительным является такое выполнение голеностопного звена, в котором первый рычаг может быть выполнен с возможностью изменения своей длины.

[0019] В частном случае исполнения конец первого рычага может быть повернут и расположен в плоскости, параллельной сагиттальной плоскости.

[0020] В предпочтительном случае исполнения шарнирное соединение первой стойки с первым рычагом образовано осью, расположенной на конце первого рычага, и подшипником, расположенным на первой стойке, а шарнирное соединение второй стойки с базовым элементом образовано осью, расположенной на базовом элементе в плоскости, параллельной сагиттальной плоскости, и подшипником, расположенным на второй стойке.

[0021] В предпочтительном случае исполнения каждый шарнир, соединяющий соответствующую стойку с опорой ступни выполнен в виде сферического шарнира.

[0022] В частном случае исполнения первая стойка может быть выполнена из двух частей, установленных с возможностью поворота относительно друг друга с последующей фиксацией. При этом первая часть первой стойки соединена с первым рычагом, а вторая часть соединена со сферическим шарниром.

[0023] В конкретном случае исполнения голеностопное звено дополнительно содержит механический и/или пневматический упругий элемент, шарнирно соединенный одним концом с базовым элементом, а другим концом с пяточной частью опоры ступни.

[0024] В конкретном случае исполнения голеностопное звено дополнительно содержит привод линейного перемещения, шарнирно соединенный одним концом с базовым элементом, а другим концом с пяточной частью опоры ступни.

[0025] В конкретном случае исполнения голеностопное звено дополнительно содержит скобу, связанную с пяточной и боковыми сторонами опоры ступни и жестко закрепленную на первой и второй стойках.

[0026] 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.

[0027] Для лучшего понимания сути предлагаемого технического решения ниже приводится описание конкретного примера выполнения, не являющееся ограничительным примером практической реализации голеностопного звена ортеза ноги в соответствии с заявляемым изобретением со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее.

[0028] На фиг. 1 изображено голеностопное звено правой ноги, вид спереди, аксонометрия (элементы крепления на голени и обуви человека - носителя условно не показаны).

[0029] На фиг. 2 изображено голеностопное звено правой ноги, вид сзади, аксонометрия (элементы крепления на голени и обуви человека -носителя условно не показаны).

[0030] На фиг. 3 изображено голеностопное звено правой ноги, вид сбоку.

[0031] На фиг. 4 изображено голеностопное звено правой ноги, вид справа.

[0032] На фиг. 5 изображено голеностопное звено правой ноги, вид слева.

[0033] На фиг. 6 изображено голеностопное звено правой ноги, вид сзади.

[0034] На фиг. 7 изображено голеностопное звено правой ноги, вид спереди.

[0035] На фиг. 8 изображен вид А на фиг. 7.

[0036] На фиг. 9 изображено голеностопное звено правой ноги с отведенной опорой ступни, вид сверху.

[0037] На фиг. 10 изображен вид Б на фиг. 7, части первой стойки повернуты относительно друг друга.

[0038] На фиг. 11 изображен вид А на фиг. 7, части первой стойки повернуты относительно друг друга.

[0039] На фиг. 12 изображено голеностопное звено правой ноги с отведенной опорой ступни, вид спереди, аксонометрия.

[0040] На фиг. 13 изображено голеностопное звено правой ноги с упругим элементом, вид спереди, аксонометрия.

[0041] На фиг. 14 изображено голеностопное звено правой ноги с упругим элементом, вид сзади, аксонометрия.

[0042] На фиг. 15 изображено голеностопное звено правой ноги с фиксирующей скобой, вид спереди, аксонометрия.

[0043] На фиг. 16 изображено голеностопное звено правой ноги с фиксирующей скобой, вид сзади, аксонометрия.

[0044] На фиг. 17 изображено голеностопное звено правой ноги с отсоединенной опорой ступни, вид слева, аксонометрия.

[0045] 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.

[0046] Как было отмечено ранее, основным назначением заявляемого голеностопного звена является его использование в ортезах и экзоскелетах нижних конечностей, как активных, так и пассивных, для восстановления или улучшения походки у лиц с нарушенной, утраченной или несформированной способностью к управлению движениями нижних конечностей вследствие различных заболеваний и травм. При этом, в зависимости от степени поражения для каждого пациента требуется конкретная настройка подвижности голеностопа, вплоть до полной его фиксации.

[0047] Однако, очевидно, что предлагаемое голеностопное звено может быть также использовано и в пассивных экзоскелетах для здоровых людей при проведении работ, связанных с перемещением различных грузов. При этом степень подвижности голеностопного звена определяется подвижностью голеностопного сустава человека.

[0048] Как показано на фиг. 1-5 голеностопное звено для ортеза нижних конечностей или экзоскелета содержит базовый элемент 10, который в данном конкретном примере предназначен для соединения с голенью ноги человека-носителя. В общем случае соединение голеностопного звена с гленью не обязательно. Так в некоторых конструкциях пассивных экзосклетов достаточно крепления на бедре и ступне.

[0049] Базовый элемент 10 состоит из опорного элемента 11 и кронштейна 12. На опорном элементе 11 базового элемента 10 имеются отверстия 13, к которым крепятся фиксирующие ремни или другие аналогичные средства (на фиг. не показаны), предназначенные для закрепления голеностопного звена на голени человека-носителя.

[0050] Для соединения с коленным шарниром ортеза или экзоскелета на опорном элементе 11 установлен соединительный элемент 14, располагающийся с одной стороны голени человека-носителя, а на кронштейне 12 установлен соединительный элемент 15, располагающийся с другой стороны голени человека-носителя. В данном примере выполнения соединительный элемент 15 выполнен в виде проушины, предназначенной для соединения с приводом голеностопного звена активного экзоскелета.

[0051] Для подгонки голеностопного звена под конкретного человека-носителя кронштейн 12 и соединительный элемент 14 установлены на опорном элементе 11 с возможность регулирования их положения относительно опорного элемента 11 в горизонтальной плоскости. Для этого кронштейн 12 и соединительный элемент 14 имеют возможность перемещения относительно опорного элемента 11 под углом к сагиттальной плоскости с последующей фиксацией.

[0052] Фиксация кронштейна 12 и соединительного элемента 14 на опорном элементе 11 может осуществляться любым известным из уровня техники способом. В данном конкретном примере реализации изобретения фиксация осуществляется посредством зубьев 16, выполненных на опорном элементе 11, на кронштейне 12 и соединительном элементе 14, а также винтов 17 (см. фиг. 3).

[0053] На опорном элементе 11 расположена ось 18, а на кронштейне 12 ось 19. На оси 18 установлен первый рычаг 30. Первый рычаг 30 включает в себя основание 31 и кронштейн 32. Конец кронштейна 32 имеет изогнутую форму, повернутую в сторону голени человека-носителя, и лежит в плоскости, параллельной сагиттальной. На конце кронштейна 32 расположена ось 33, также лежащая в плоскости, параллельной сагиттальной.

[0054] Для подгонки голенного звена под конкретного человека-носителя длина рычага 30 может меняться. Для этого кронштейн 32 установлен на основании 31, с возможностью перемещения с последующей фиксацией. Фиксация кронштейна 32 на основании 31 может осуществляться любымизвестным из уровня техники способом. В данном конкретном примере реализации изобретения фиксация осуществляется посредством зубьев 34, выполненных на основании 31 и кронштейне 32, а также винта 35.

[0055] Как показано на фиг. 6 основание 31 рычага 30 имеет упор 36, размещенный в отверстии 21 опорного элемента 11 и предназначенный для ограничения угла поворота рычага 30 или, другими словами, подвижности голеностопного звена. Для настройки конкретного угла поворота, необходимого для пациента, используются регулировочные винты 22, установленные на опорном элементе 11. Кроме того, при необходимости винтами 22 можно полностью зафиксировать рычаг 30.

[0056] Первая стойка 40 содержит первую 41 и вторую 42 части. Первая часть 41 установлена на оси 33 рычага 30 и имеет ось 43. Вторая часть 42 установлена на оси 43 с возможностью поворота с последующей фиксацией и состоит из первого 44 и второго 45 элемента (фиг. 2). Фиксация второй части 42 относительно первой части 41 первой стойки 40 осуществляется винтами 46, расположенных в круговых отверстиях 47 первого элемента 44 второй части 42 первой стойки 40 (фиг. 10).

[0057] Угол поворота первой 41 и второй 42 частей регулируется установочными винтами 48 (фиг. 8, 10, 11). На нижнем конце второго элемента 45 расположен сферический шарнир в виде стандартного сферического подшипника 49.

[0058] Такое выполнение первой стойки 40 позволяет реализовать две функции, а именно: функцию регулировки угла отведения/приведения ступни и функцию общей настройки голеностопного звена под конкретного пользователя при изменении положения кронштейна 12 и соединительного элемента 14 относительно опорного элемента 11.

[0059] На фиг. 8 показано соединение частей 41 и 42 первой стойки в нейтральном положении. На фиг. 9 и фиг. 12 показано положение голеностопного звена с отведенной опорой ступни 70. При этом положение части 41, элемента 44 части 42 первой стойки и установочных винтов 48 показано на фиг. 10 и фиг. 11.

[0060] Вторая стойка 60 содержит первый элемент 61, установленный на оси 19, и второй элемент 62. На нижнем конце второго элемента 62 расположен сферический шарнир в виде стандартного сферического подшипника 63. Как показано на фиг. 7 в данном примере выполнения стойка 60 имеет упор 64, выполненный на первом элементе 61 и предназначенный для начальной настройки положения второй стойки 60. Настройка осуществляется маховиком 23 с винтом 24, установленным в кронштейне 12 и проходящем через упор 64. В винте 24 выполнен паз 25, предназначенный для размещения подпружиненного хвостовика стандартного фиксатора 65, установленного на упоре 64.

[0061] Изменение длины стоек 40 и 60 для индивидуальной подгонки под человека-носителя происходит аналогично кронштейну 12, элементу 14 и рычагу 30 за счет перемещения первых элементов 44 и 61 относительно вторых элементов 45 и 62, соответственно. Фиксация в данном примере выполнения осуществляется зубьями, выполненными, соответственно, на элементах 44, 45 и 61, 62, а также винтами 51 и 66.

[0062] Опора ступни 70 включает в себя основание 71 с кронштейнами 72 и 73, расположенными соответственно на первой и второй боковой стороне опоры ступни 70. На кронштейне 72 установлен замок 75 с проушиной 76, предназначенной для размещения сферического подшипника 49, а на кронштейне 73 установлен замок 77 с проушиной 78 для размещения сферического подшипника 63.

[0063] Соединение опоры ступни 70 с первой 40 и второй 60 стойками осуществляется при помощи осей 79, 81, расположенных в отверстия проушины 76 и подшипника 49, и проушины 78 и подшипника 63, соответственно. Замки 75 и 77 позволяют осуществить быстрое соединение/разъединение опоры ступни 70 со стойками 40, 60.

[0064] Как показано на фиг. 17, для крепления обуви 82 пользователя к опоре ступни 70 на боковых кронштейнах 72, 73, и на пяточном кронштейне 83 установлены крепежные элементы в виде винтов 84. Для надежной фиксации в обувь 82 могут быть интегрированы ответные крепежные элементы, например, в виде резьбовых втулок.

[0065] При движении человека-носителя его голеностопный сустав совершает сгибание-разгибание и супинацию-пронацию. За функцию сгибания-разгибания в заявляемом голеностопном звене отвечают сферические подшипники 49 и 63, установленные на осях 79 и 81.

[0066] За функцию супинации-пронации в заявляемом голенном звене отвечает шестизвенный механизм, включающий в себя базовый элемент 10, первый рычаг 30, первую стойку 40, вторую стойку 60 и опору ступни 70. Такой механизм обеспечивает необходимую подвижность голеностопного сустава человека и, кроме того, обеспечивает повышенную нагрузочную способность за счет более равномерного распределения усилий на стойки.

[0067] 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°.

[0068] Таким образом, при использовании голенного звена в экзоскелетах для больных или в активных экзоскелетах, для предотвращения травм углы поворота сферических шарниров 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 ограничение супинации-пронации, как было указано ранее, выполняет упор 36 и винты 22 (фиг. 6).

[0069] Углы сгибания-разгибания голенного звена в данном примере ограничивает пневмопружина 90, шарнирно закрепленная корпусом 91 на опорном элементе 11, а штоком 92 на пяточном кронштейне 83 опоры ступни 70 (фиг. 13, 14). Вместо пневмопружины 90 могут быть применены пружины сжатия - растяжения или привод линейного перемещения различного типа: электромеханический, гидравлический, пневматический.

[0070] Для некоторых пациентов может потребоваться полная фиксация опоры ступни 70 относительно стоек 40 и 60. Для этой цели, как показано на фиг. 15 и фиг. 16, может быть использована скоба 85, жестко закрепленная на стойках 40 и 60 и на кронштейне 83 пяточной части опоры ступни 70.

[0071] 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. Голеностопное звено ортеза или экзоскелета, содержащее

базовый элемент,

первый рычаг, установленный на базовом элементе с возможностью поворота,

первую стойку, верхним концом шарнирно соединенную с первым рычагом,

вторую стойку, верхним концом шарнирно соединенную с базовым элементом, и

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. Голеностопное звено по п. 1, отличающееся тем, что базовый элемент выполнен с возможностью соединения с голенью ноги человека-носителя.

3. Голеностопное звено по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено установленными на базовом элементе соединительными элементами, расположенными по бокам голени человека-носителя и предназначенными для соединения с коленным шарниром ортеза или экзоскелета.

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

5. Голеностопное звено по п. 1, отличающееся тем, что первый рычаг выполнен с возможностью ограничения его поворота или с возможностью фиксации в заданном положении.

6. Голеностопное звено по п. 1, отличающееся тем, что первый рычаг выполнен с возможностью изменения своей длины.

7. Голеностопное звено по п. 1, отличающееся тем, что конец первого рычага повернут и расположен в плоскости, параллельной сагиттальной плоскости.

8. Голеностопное звено по п. 7, отличающееся тем, что шарнирное соединение первой стойки с первым рычагом образовано осью, расположенной на конце первого рычага, и подшипником, расположенным на первой стойке, а шарнирное соединение второй стойки с базовым элементом образовано осью, расположенной на базовом элементе в плоскости, параллельной сагиттальной плоскости, и подшипником, расположенным на второй стойке.

9. Голеностопное звено по п. 1, отличающееся тем, что каждый шарнир, соединяющий соответствующую стойку с опорой ступни выполнен в виде сферического шарнира.

10. Голеностопное звено по п. 9, отличающееся тем, что первая стойка выполнена из двух частей, установленных с возможностью поворота относительно друг друга с последующей фиксацией, первая часть первой стойки соединена с первым рычагом, а вторая часть соединена со сферическим шарниром.

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

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

13. Голеностопное звено по любому из п.п. 1-10, отличающееся тем, что дополнительно содержит скобу, связанную с пяточной и боковыми сторонами опоры ступни и жестко закрепленную на первой и второй стойках.