Шаровой шарнир

Изобретение относится к медицине, а именно к шаровым шарнирам экзоскелетов. Шаровой шарнир содержит разъемный корпус (1, 2) с позиционирующими элементами, образующими при сборке корпуса единую шаровидную полость (3) и угловидный вырез в корпусе. Вырез выполнен таким образом, что вершина выреза выполнена глубже центра качания и вращения помещенного в эту полость шара (3) с прикрепленным к нему пальцем (5). Конфигурация и глубина угловидного выреза обеспечивают расстояние между краями выреза в корпусе в центральной его части над шаровидной полостью меньшее, чем диаметр помещенного в нее шара. Достигается обеспечение амплитуды движений в шарнире, соответствующей амплитуде качаний в плечевом и тазобедренном суставах человека. 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, в частности, робототехники, биомеханическим системам (экзоскелетам), применяемым для увеличения физических параметров человеческого тела (силы и выносливости) и для целей медицинской реабилитации.

Известные шаровые шарниры, например шаровая опора подвески автомобиля, представляют собой шар, помещенный в шаровидную полость корпуса таким образом, что шар с прикрепленным к нему пальцем может свободно вращаться вокруг своей оси на 360° и качаться на угол до 90° во всех направлениях, при этом палец описывает конус с вершиной в центре шара.

Ограничения по диапазону движений шаровых шарниров известных конструкций связаны с тем, что прикрепленный к шару палец, имеющий необходимое для обеспечения прочности поперечное сечение, упирается в края усеченной части полости корпуса шарнира, что не позволяет получить больший диапазон движений: уменьшение сечения рычага приводит к потере его прочности, а расширение окна в корпусе шарнира на величину более половины диаметра шара чревато выпадением шара из полости шарнира. Другой технической проблемой является решение задачи удержания шара внутри корпуса шарнира, которая обычно решается применением резьбовых или запрессовываемых в корпус шарнира кольцевидной втулок, образующих в сборе с корпусом усеченную шаровидную полость.

Известные конструкции шаровых шарниров не обеспечивают задачи обеспечения необходимых диапазонов движений в сочленениях биомеханических систем (экзоскелетов).

Для обеспечения диапазона движений в сочленениях биомеханизма, соответствующих объему движений в плечевом и тазобедренном суставах человека, необходимо шаровый шарнир сделать таким, чтобы за счет ограничения амплитуды движений в одной плоскости, для обеспечения надежного удержания шара в полости шарнира (до 90° Фигура 3), получить необходимую амплитуду движений в других плоскостях (до 180° Фигура 3). В результате общий объем амплитуды качаний прикрепленного к шару пальца должен составлять до полной сферы. Конструкция корпуса шарнира, имеющего шаровидную полость в корпусе, должна надежно удерживать шар с пальцем на своем месте.

Поставленная цель достигается за счет угловидной формы выреза (с внутренним углом до 90°) в корпусе шарнира, разделяемого на две или более двух несимметричные (Позиции 1 и 2 Фигура 1) либо симметричные (Позиции 1 и 2 Фигура 2) части, образующие при соединении единую шаровидную полость (Позиция 3 Фигур 1 и 2), в которой удерживается шар с пальцем (Позиции 4 и 5 Фигур 1 и 2). Вершина внутреннего угла выреза должна быть выполнена глубже центра качания и вращения шара для обеспечения требуемой амплитуды движений пальца в двух плоскостях (условно X и Y) до 180°, при этом в поперечной ей плоскости (Z) амплитуда движений ограничена 90° (Фигура 3). В собранном состоянии корпуса шарнира шар диаметром d (Фигура 3) надежно удерживается краями шаровидной полости корпуса, расстояние между которыми меньше диаметра d (Фигура 3).

С целью обеспечения точного позиционирования частей корпуса относительно друг друга при его сборке, необходимо предусмотреть позиционирующие элементы (на чертежах не показаны).

Части корпуса соединяются винтами, заклепками, сваркой или иным способом, обеспечивающим неизменяемую шаровидную форму внутренней полости с необходимым уровнем точности после сборки шарнира.

Конструкция предлагаемого шарового шарнира допускает его применение в двух вариантах:

1. Неподвижной (базовой) частью является корпус, а подвижной - палец с помещенным в полость шаром. Рабочий орган (конечность) биомеханизма прикрепляется к пальцу.

2. Неподвижной (базовой) частью является палец с шаром, а подвижной - корпус, вращающийся (качающийся) вокруг находящегося в его полости шара. Рабочий орган (конечность) биомеханизма прикрепляется к корпусу шарнира.

Положение опорной части корпуса шарнира целесообразно выбирать таким образом, чтобы максимальные (например, гравитационные) нагрузки были приложены к цельной части корпуса шарнира (не к месту стыка).

Палец в сечении может иметь цилиндрическую или иную форму.

Предлагаемая конструкция шарового шарнира для биомеханических систем позволит обеспечить следующие технические результаты:

1. Надежное удержание подвижной части (шара с пальцем) в корпусе шарнира;

2. Диапазон движений (качаний) биомеханизма, соответствующий амплитуде качаний в плечевом и тазобедренном суставах человека (до сферы) и вращение на 360°;

3. Шаровой шарнир может применяться в конструкциях экзоскелетов, протезов суставов человека и животных и в иных механизмах.

Шаровой шарнир с разъемным корпусом и позиционирующими элементами, образующими при сборке корпуса единую шаровидную полость и угловидный вырез в корпусе, выполненный таким образом, что вершина выреза выполнена глубже центра качания и вращения помещенного в эту полость шара с прикрепленным к нему пальцем, а конфигурация и глубина угловидного выреза обеспечивают расстояние между краями выреза в корпусе в центральной его части над шаровидной полостью меньшее, чем диаметр помещенного в нее шара.