RU2767138C2

RU2767138C2 - Exoskeleton drive

Info

Publication number: RU2767138C2
Application number: RU2019131429A
Authority: RU
Inventors: Кирилл Михайлович Толстов
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Экзоатлет"
Priority date: 2019-10-04
Filing date: 2019-10-04
Publication date: 2022-03-16
Also published as: RU2019131429A3; RU2019131429A; WO2021066677A1

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention relates to medicine, namely to exoskeleton drives. A drive contains a base with a gear sector, a two-arm lever installed on the base with the possibility of rotation, a frame, a ball-screw transmission, an electric engine, a trunnion and a lever with a gear sector. The axis of rotation of the two-arm lever coincides with the center of a dividing circumference of the base gear sector. The frame is installed on the base with the possibility of rotation. A screw of the ball-screw transmission is installed on the frame with the possibility of rotation. The electric engine is installed on the frame and is intended for rotation of the screw of the ball-screw transmission. The trunnion is pivotally connected to the first arm of the two-arm lever and is fixed on a nut of the ball-screw transmission. The lever with the gear sector is installed on the second arm of the two-arm lever with the possibility of rotation. The axis of rotation of the lever coincides with the center of the dividing circumference of its gear sector. The lever gear sector is intended for the interaction with the base gear sector.

EFFECT: possibility of receiving at the output of complex movement, which is similar to the movement of human leg parts in the knee joint.

3 cl, 5 dwg

Description

[0001] Изобретение относится к области удовлетворения жизненных потребностей, в частности к приводам экзоскелетов и других носимых вспомогательных средств, содействующих двигательной активности человека, гражданского и специального назначения, в том числе при проведении лечебных и/или реабилитационных мероприятий.[0001] The invention relates to the field of meeting vital needs, in particular to drives for exoskeletons and other wearable aids that promote human motor activity, for civil and special purposes, including during medical and / or rehabilitation measures.

[0002] Известны конструкции приводов для экзоскелета или активного ортеза, описанные в опубликованных заявках WO 2016/034755, А61Н 3/00, 2016, WO 2017/178903, F16H 25/20, 2017 и CN 109176597, B25J 17/02, 2019. Все указанные приводы содержат основание, размещаемое на одном из элементов экзоскелета или активного ортеза. На основании установлены электродвигатель, винтовая передача и линейная направляющая с ползуном. Электродвигатель приводит во вращение винт винтовой передачи напрямую или через ременную передачу. Гайка винтовой передачи закреплена на ползуне. На основании также установлен поворотный кривошип, связываемый с ответным звеном экзоскелета или активного ортеза. Поворот кривошипа осуществляется шатуном, шарнирно связанным с ползуном и кривошипом.[0002] Designs of actuators for an exoskeleton or an active orthosis are known, described in published applications WO 2016/034755, A61H 3/00, 2016, WO 2017/178903, F16H 25/20, 2017 and CN 109176597, B25J 17/02, 2019. All of these actuators contain a base placed on one of the elements of the exoskeleton or active orthosis. An electric motor, a screw gear and a linear guide with a slider are installed on the base. The electric motor drives the screw of the screw transmission directly or through a belt drive. The screw drive nut is fixed on the slider. A rotary crank is also installed on the base, which is connected to the reciprocal link of the exoskeleton or active orthosis. The crank is rotated by a connecting rod pivotally connected to the slider and the crank.

[0003] Известен привод звена активного ортеза ноги, описанный в патенте RU 173374, А61Н 3/00,2017. Данный привод содержит основание, предназначенное для размещения на одном из звеньев ортеза, установленные на основании электродвигатель, линейную направляющую с ползуном и шарико-винтовую передачу, гайка которой закреплена на ползуне. Зубчато-ременная передача связывает электродвигатель с винтом винтовой передачи.[0003] A link drive of an active leg orthosis is known, described in patent RU 173374, A61H 3/00.2017. This drive contains a base designed to be placed on one of the orthosis links, an electric motor installed on the base, a linear guide with a slider and a ball screw, the nut of which is fixed on the slider. The toothed belt drive connects the electric motor with the screw of the screw drive.

[0004] На основании с возможностью поворота установлен кривошип, выполненный в виде двуплечего рычага, первое плечо которого расположено с обеих сторон винта винтовой передачи, а второе плечо предназначено для крепления на ответном звене ортеза ноги. Два шатуна расположены по обеим сторонам винта винтовой передачи и каждый из них одним концом шарнирно соединен с ползуном, а другим концом шарнирно соединен с соответствующей стороной первого плеча кривошипа.[0004] A crank made in the form of a two-arm lever is mounted on the base with the possibility of rotation, the first arm of which is located on both sides of the screw drive screw, and the second arm is intended for fastening on the counter link of the leg orthosis. Two connecting rods are located on both sides of the helical gear screw and each of them is pivotally connected with the slider at one end, and at the other end is pivotally connected to the corresponding side of the first crank arm.

[0005] Основным недостатком этих приводов является невозможность получения на выходном звене привода сложного движения, которое, например, необходимо выполнить в коленном шарнире. Коленный шарнир с чисто вращательным движением вокруг одной оси может увеличить нагрузку на коленный сустав.[0005] The main disadvantage of these actuators is the impossibility of obtaining a complex movement on the output link of the actuator, which, for example, must be performed in the knee joint. A knee joint with purely rotational movement about one axis can increase the load on the knee joint.

[0006] Из анатомии человека известно, что вращательное движение в коленном суставе, осуществляющееся между суставными поверхностями мыщелков бедренной и большеберцовой костей, представляет собой совокупность движений качения и скольжения. При этом суставная поверхность мыщелков бедренной кости совершает сложное перемещение, перекатываясь и скользя по суставным поверхностям мыщелков большеберцовой кости, см. Капанджи Адальберт И.: Нижняя конечность. Функциональная анатомия. Том 2, Эксмо, 2010, с. 100, 101.[0006] From human anatomy, it is known that the rotational movement in the knee joint, carried out between the articular surfaces of the condyles of the femur and tibia, is a combination of rolling and sliding movements. At the same time, the articular surface of the condyles of the femur makes a complex movement, rolling and sliding along the articular surfaces of the condyles of the tibia, see Kapanji Adalbert I .: Lower limb. Functional anatomy. Volume 2, Eksmo, 2010, p. 100, 101.

[0007] Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении арсенала технических средств приводов для экзоскелетов или других вспомогательных устройств содействия двигательной активности человека, за счет получения на выходе сложного движения, аналогичного движению частей ног человека в коленном суставе.[0007] The technical result of the invention is to expand the arsenal of technical means of drives for exoskeletons or other auxiliary devices to promote human motor activity, by obtaining a complex movement at the output, similar to the movement of parts of the human legs in the knee joint.

[0008] Кроме того, техническим результатом также является улучшение массогабаритных характеристик, т.е. снижение массы и уменьшении размеров устройств, при увеличенном выходном крутящем моменте и сохранении остальных возможностей и технических характеристик устройств.[0008] In addition, the technical result is also an improvement in weight and size characteristics, i.e. weight reduction and downsizing of devices, with increased output torque and maintaining the rest of the capabilities and technical characteristics of the devices.

[0009] Указанный технический результат достигается за счет того, что привод для экзоскелета содержит основание с зубчатым сектором, а также установленный на основании с возможностью поворота двуплечий рычаг, ось вращения которого совпадает с центром делительной окружности зубчатого сектора основания, и раму, установленную на основании с возможностью поворота.[0009] The specified technical result is achieved due to the fact that the drive for the exoskeleton contains a base with a gear sector, as well as a two-arm lever mounted on the base with the possibility of rotation, the axis of rotation of which coincides with the center of the pitch circle of the gear sector of the base, and a frame mounted on the base with the possibility of rotation.

[0010] Винт шарико-винтовой передачи установлен на раме с возможностью вращения. Электродвигатель также установлен на раме и предназначен для сообщения вращения винту шарико-винтовой передачи.[0010] The ball screw is rotatably mounted on the frame. The electric motor is also mounted on the frame and is designed to provide rotation to the screw of the ball screw.

[0011] Цапфа шарнирно соединена с первым плечом двуплечего рычага и закреплена на гайке шарико-винтовой передачи. Рычаг с зубчатым сектором установлен на втором плече двуплечего рычага с возможность поворота. При этом ось вращения рычага совпадает с центром делительной окружности его зубчатого сектора, а зубчатый сектор рычага предназначен для взаимодействия с зубчатым сектором основания.[0011] The trunnion is pivotally connected to the first arm of the two-arm lever and secured to the ball screw nut. A lever with a gear sector is mounted on the second arm of a two-arm lever with the possibility of rotation. In this case, the axis of rotation of the lever coincides with the center of the dividing circle of its gear sector, and the gear sector of the lever is designed to interact with the gear sector of the base.

[0012] Отсутствие линейной направляющей упрощает конструкцию, исключает износ на концах направляющей, не требует высокой точности при изготовлении, упрощает сборку (не надо выставлять параллельность), а также значительно снижает вес и габариты привода и делает его приемлемым для мобильных, носимых конструкций.[0012] The absence of a linear guide simplifies the design, eliminates wear at the ends of the guide, does not require high precision in manufacturing, simplifies assembly (no need to set parallelism), and also significantly reduces the weight and dimensions of the drive and makes it acceptable for mobile, wearable structures.

[0013] Основание привода предназначено для установки на одном из звеньев экзоскелета, например, бедренном звене, а рычаг с зубчатым сектором предназначен для установки на ответном звене экзоскелета, например, звене голени.[0013] The drive base is designed to be mounted on one of the links of the exoskeleton, for example, the femoral link, and the lever with the gear sector is designed to be mounted on the mating link of the exoskeleton, for example, the lower leg link.

[0014] В предпочтительном варианте выполнения привода винт шарико-винтовой передачи может быть связан с электродвигателем при помощи зубчато-ременной передачи. При этом электродвигатель располагается параллельно винту шарико-винтовой передачи, что позволяет уменьшить осевые габариты (длину) привода. Редуцирование крутящего момента в зубчато-ременной передаче позволяет использовать электродвигатель меньших габаритов, что, в свою очередь приводит к уменьшению поперечных габаритов (высота, ширина) привода.[0014] In a preferred embodiment of the drive, the ball screw may be coupled to the motor via a toothed belt drive. In this case, the electric motor is located parallel to the ball screw, which allows to reduce the axial dimensions (length) of the drive. Torque reduction in the toothed belt drive allows the use of a smaller electric motor, which in turn leads to a reduction in the transverse dimensions (height, width) of the drive.

[0015] В предпочтительном варианте выполнения привода двуплечий рычаг может быть выполнен из двух частей, расположенных по обеим сторонам винта шарико-винтовой передачи.[0015] In the preferred embodiment of the actuator, the two-arm lever may be made of two parts located on both sides of the ball screw screw.

[0016] 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.[0016] The foregoing is a summary of the invention and thus may include simplifications, generalizations, inclusions and/or exclusions of details; therefore, those skilled in the art should appreciate that this summary is illustrative only and is not intended to be limiting in any way.

[0017] Для лучшего понимания сути предлагаемого технического решения ниже приводится описание конкретного примера выполнения изобретения, не являющееся ограничительным примером практической реализации привода для экзоскелета в соответствии с данным изобретением со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее.[0017] For a better understanding of the essence of the proposed technical solution, the following is a description of a specific example of the invention, which is not a limiting example of the practical implementation of the drive for the exoskeleton in accordance with this invention with reference to the drawings, which show the following.

[0018] На фиг. 1 изображен привод, вид справа, аксонометрия.[0018] FIG. 1 shows the drive, right side view, perspective view.

[0019] На фиг. 2 изображен привод, вид слева, аксонометрия.[0019] FIG. 2 shows the drive, left side view, perspective view.

[0020] На фиг. 3 изображен привод, вид спереди, аксонометрия.[0020] FIG. 3 shows the drive, front view, perspective view.

[0021] На фиг. 4 изображен привод в первом крайнем положении, вид слева, местный разрез.[0021] In FIG. 4 shows the drive in the first extreme position, left side view, local section.

[0022] На фиг. 5 изображен привод во втором крайнем положении, вид слева, местный разрез.[0022] FIG. 5 shows the drive in the second extreme position, left side view, local section.

[0023] 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.[0023] It should be noted that the drawings show only those details that are necessary for understanding the essence of the proposal, and related equipment, well known to specialists in this field, is not shown in the drawings.

[0024] Основным назначением заявляемого привода является перемещение звеньев активных экзоскелетов нижних конечностей. Предлагаемый привод для экзоскелета содержит основание 1 с зубчатым сектором 2 (фиг. 3-5). На основании 1 в подшипниковом узле 3 с возможностью поворота установлен двуплечий рычаг 4. В данном конкретном примере исполнения привода двуплечий рычаг 4 выполнен из двух частей 4а и 4b. Ось вращения двуплечего рычага 4 (его частей 4а и 4b) совпадает с центром А делительной окружности зубчатого сектора 2 основания 1 (фиг. 4, 5).[0024] The main purpose of the proposed drive is to move the links of the active exoskeletons of the lower extremities. The proposed drive for the exoskeleton contains a base 1 with a gear sector 2 (Fig. 3-5). On the base 1 in the bearing assembly 3, a two-arm lever 4 is installed with the possibility of rotation. In this particular example of the drive, the two-arm lever 4 is made of two parts 4a and 4b. The axis of rotation of the two-arm lever 4 (its parts 4a and 4b) coincides with the center A of the dividing circle of the toothed sector 2 of the base 1 (Fig. 4, 5).

[0025] Также на основании 1 в подшипниковом узле 5 с возможность поворота установлена рама 6. На раме 6 с возможностью вращения установлен винт 7 шарико-винтовой передачи. Кроме того, на раме 6 установлен электродвигатель 8. В данном примере исполнения винт 7 шарико-винтовой передачи связан с электродвигателем 8 при помощи зубчато-ременной передачи 9.[0025] Also, on the base 1 in the bearing assembly 5, a frame 6 is rotatably mounted. A ball screw screw 7 is rotatably mounted on the frame 6. In addition, an electric motor 8 is installed on the frame 6. In this example, the screw 7 of the ball screw is connected to the electric motor 8 by means of a toothed belt drive 9.

[0026] Гайка 10 шарико-винтовой передачи закреплена на цапфе 11. Цапфа 11 с помощью подшипниковых узлов 12 шарнирно соединена с первым плечом двуплечего рычага 4 (его частей 4а и 4b). Части 4а и 4b двуплечего рычага 4 расположены по обеим сторонам винта 7 шарико-винтовой передачи.[0026] The nut 10 of the ball screw is fixed on the trunnion 11. The trunnion 11 is pivotally connected to the first arm of the two-arm lever 4 (parts 4a and 4b) by means of bearing assemblies 12. Parts 4a and 4b of the two-arm lever 4 are located on both sides of the screw 7 of the ball screw.

[0027] Рычаг 13 с зубчатым сектором 14 установлен на втором плече двуплечего рычага 4 (его частей 4а и 4b) с возможность поворота в подшипниковых узлах 15. Причем ось вращения рычага 13 совпадает с центром В делительной окружности его зубчатого сектора 14. Зубья зубчатого сектора 14 рычага 13 входят в зацепление с зубьями зубчатого сектора 2 основания 1.[0027] The lever 13 with the gear sector 14 is mounted on the second arm of the two-arm lever 4 (its parts 4a and 4b) with the possibility of rotation in the bearing assemblies 15. Moreover, the axis of rotation of the lever 13 coincides with the center In the dividing circle of its gear sector 14. The teeth of the gear sector 14 of the lever 13 engage with the teeth of the toothed sector 2 of the base 1.

[0028] Основание 1 крепится на одном звене активного экзоскелета, например, бедренном, при помощи отверстий 16. Рычаг 13 крепится на ответном звене активного экзоскелета, например, звене голени, при помощи отверстий 17.[0028] The base 1 is attached to one link of the active exoskeleton, for example, the femoral one, using the holes 16. The lever 13 is attached to the mating link of the active exoskeleton, for example, the leg link, using the holes 17.

[0029] Работа привода для экзоскелета осуществляется следующим образом. Электродвигатель 8 через ременную передачу 9 передает вращение на винт 7 шарико-винтовой передачи. Гайка 10 шарико-винтовой передачи вместе с цапфой 11 перемещается по винту 7 поворачивая двуплечий рычаг 4 в подшипниковом узле 3.[0029] The operation of the drive for the exoskeleton is as follows. The electric motor 8 through a belt drive 9 transmits rotation to the screw 7 of the ball screw. The nut 10 of the ball screw together with the trunnion 11 moves along the screw 7 turning the two-arm lever 4 in the bearing unit 3.

[0030] Вследствие этого рычаг 13 совершает сложное движение, а именно: перемещается по радиусу второго плеча двуплечего рычага 4 и поворачивается в подшипниковых узлах 15 при обкатке по зубьям зубчатого сектора 2 основания 1. Такое движение рычага 13 достаточно точно соответствует движению костей человека в коленном суставе.[0030] As a result, the lever 13 performs a complex movement, namely: it moves along the radius of the second arm of the two-arm lever 4 and rotates in the bearing assemblies 15 when running along the teeth of the toothed sector 2 of the base 1. Such a movement of the lever 13 quite accurately corresponds to the movement of human bones in the knee joint.

[0031] Хотя в данном документе были описаны различные стороны осуществления заявленного изобретения, специалистам в данной области техники понятно, что возможны другие подходы к осуществлению данного 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.[0031] Although various aspects of carrying out the claimed invention have been described herein, those skilled in the art will appreciate that other approaches to carrying out the invention are possible. Various aspects and implementation of the present invention are set forth in the present description for illustrative purposes and are not intended to be limiting, and the protection scope of the present invention is indicated in the following claims.

Claims

1. A drive for an exoskeleton containing a base with a gear sector,

a two-arm lever mounted on the base with the possibility of rotation, the axis of rotation of which coincides with the center of the dividing circle of the gear sector of the base,

a frame mounted on a base with the possibility of rotation,

ball screw, the screw of which is mounted on the frame with the possibility of rotation,

an electric motor mounted on a frame and designed to impart rotation to the screw of the ball screw,

a trunnion pivotally connected to the first arm of the two-arm lever and fixed to the ball screw nut, and

a lever with a gear sector mounted on the second arm of a two-arm lever with the possibility of rotation, wherein the axis of rotation of the lever coincides with the center of the pitch circle of its gear sector, and the gear sector of the lever is designed to interact with the gear sector of the base.

2. The drive for the exoskeleton according to claim 1, characterized in that the ball screw is connected to the electric motor by means of a toothed belt drive.

3. The drive for the exoskeleton according to claim 1, characterized in that the two-arm lever is made of two parts located on both sides of the ball screw.