PL224692B1 - Egzoszkielet z układem odzysku energii - Google Patents

Description

Egzoszkielet jest to urządzenie zewnętrzne (nieingerujące w organizm ludzki) wspomagające pracę mięśni poprzez zwiększanie ich siły. Może być stosowane w wielu dziedzinach np. w rehabilitacji, poprzez zwiększenie niewielkiego impulsu; elektrycznego lub mechanicznego mięśni na tyle, aby przywrócić prawidłowe funkcjonowanie danego członu, w przemyśle zmniejszając zmęczenie podczas pracy fizycznej poprzez odciążanie mięśni i stawów oraz w zastosowaniach specjalnych takich jak wojsko, straż pożarna czy ratunkowa - gdzie zwiększają moc i wydajność np. żołnierza. Mechanizm taki mocowany jest na wewnątrz ciała, dzięki czemu nie jest inwazyjny, a mimo wszystko bezpośrednio oddziałuje na dane części ciała człowieka.

Przykładowo egzoszkielet kończyny dolnej jest przeznaczony do wspomagania chodu, co może być wykorzystywane np. w medycynie i przy rehabilitacji pacjenta po urazach kończyny dolnej lub pionizacji i przywrócenia możliwości chodu dla osób niepełnosprawnych zmuszonych do jazdy na wózku inwalidzkim [EXOATLET - Russian exoskeleton for rehabilitation http://www.exoatlet.com/]. Egzoszkielet kończyny dolnej i górnej może być także stosowany w przemyśle, gdzie odciąża układ mięśniowo-szkieletowy pracowników fizycznych oraz zmniejsza ich zmęczenie, dzięki czemu praca takiej osoby mogłaby być dużo bardziej efektywna, bezpieczniejsza i obarczona mniejszą liczbą błędów, które często są spowodowane zmęczeniem

[http://www.theregister.co.uk/2007/10/08/exoskeleton wrinkly parent care plan japan/]. Egzoszkielet kończyny dolnej może znaleźć również zastosowanie w służbach specjalnych będąc wykorzystywanym w wojsku [ExoClimber™ http://bleex.me.berkeley.edu/research/exoskeleton/exoclimber/, ExoHiker™ http://bleex.me.berkeley.edu/research/exoskeleton/exohiker/] czy w służbach porządkowych takich jak policja oraz straż pożarna [FA Powered Exoskeleton http://www.yankodesign.com/2014/05/19/the-iron- man-of-firefighting/#Z7WcTDy116zJ0OQ4.9]. Stosowany jest wtedy do wzmacniania siły mięśniowej, tak aby człowiek przy dużo mniejszym wydatku energetycznym mógł przenieść ciężki ładunek oraz przebiec dużo większą odległość z większą prędkością przy jednoczesnym mniejszym zmęczeniu.

Egzoszkielet kończyny górnej przeznaczony jest do wzmocnienia siły rąk, co jest przydatne w przenoszeniu ciężkich rzeczy, a także pozwala na przywrócenie sprawności pourazowej, umożliwiając wykonywanie podstawowych czynności takich jak podniesienie szklanki, jedzenie, ubieranie się itp.

Egzoszkielet może być urządzeniem obejmującym nie tylko kończyny górne i dolne, ale także większe partie ciała np. takie jak plecy czy nawet całego człowieka (HAL http://www.cyberdyne.jp/english/products/LowerLimb_nonmedical.htm].

Istniejące egzoszkielety zasilane są za pomocą zasilania zewnętrznego lub autonomicznego.

W istniejących egzoszkieletach największym problemem jest układ zasilania tych urządzeń, gdyż nie pozwala on na długą pracę tych urządzeń, przez konieczność ponownej wymiany akumulatorów bądź ich naładowania. To jak ważnym problemem jest zasilanie urządzeń egzoszkieletowych wskazują badania i próby rozwiązania tego problemu.

Powstało kilka pomysłów, które wspomagają pracę egzoszkieletów, przez koordynację i wspomaganie pracy jednego członu poprzez drugi [US 4964628 A Poplawski C., US 23.10.1990], z próbą magazynowania energii podczas obracania się elementu obrotowego w jednym kierunku i wydatk owania jej przy obrocie w drugim kierunku za pomocą sprężyn. Próbę przechowywania i uwalniania energii w sprężynach wykorzystano również w pracy stóp [US 20110040216 A1 Herr H. i in., US 17.02.2011]. Jak również wykorzystywanie elastycznych elementów magazynujących i oddających niewielkie pokłady energii [WO2005025464 A2 Van DerBogert A., US 24.03.2005].

Są również stosowane jednostki magazynujące energię, tak aby w egzoszkieletach kontrolować zużycie energii i pozostawić przynajmniej minimalną jednostkę energii do bezpiecznego zakończenia pracy urządzenia, dodatkowo kontrolowanie zużycia energii pozwala na odpowiednią pracę urządzenia na odpowiednim poziomie [US 2010130894 A1 (Ikeuchi Y., JP) 27.05.2010].

Egzoszkielet według wynalazku charakteryzuje się tym, że ma układ napędowy który jest odrębny z układem odzysku energii, przy czym układ napędowy posiada odrębny silnik, przekładnię, jednostkę magazynującą i sterownik, a układ odzysku energii posiada odrębne prądnicę/generator, przekładnię, jednostkę magazynującą, sterownik.

Wbudowana jednostka magazynująca odzysk energii składa się z bloków przetwarzających energię, które połączone są z elementami magazynującymi energię i elementami wykonawczymi, przy czym elementy magazynujące i elementy wykonawcze połączone są z układem sterowania sterującym procesem ładowania i rozładowania.

PL 224 692 B1

Jednostka magazynująca posiada bloki przetwarzające energię, które dostosowują charakterystykę prądową z danego źródła odzyskiwania energii do charakterystyki prądowej elementów magazynujących, układ sterowania zarządza dostosowaną energią kierując energię elektryczną do poszczególnych elementów magazynujących ładując od określonego wcześniej minimum do maksimum kolejno poszczególne elementy lub rozładowując w odwrotnej kolejności.

W egzoszkielecie według wynalazku jest możliwość wykorzystywania energii wtórnej do zasilania urządzenia. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe jest wydłużenie pracy egzoszkieletu bez konieczności ładowania akumulatorów urządzenia, a także zminimalizowanie wagi układu zasilania, poprzez zastosowanie mniejszych akumulatorów.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia strukturę układu odzysku energii z odrębnymi elementami układu napędowego, fig. 2 - schemat jednostki magazynującej.

Na każdym członie egzoszkieletu znajduje się układ napędowy i osobno układ odzysku energii. Układ napędowy posiada odrębny silnik 3, przekładnię 4, jednostkę magazynującą 6 i sterownik 5, a układ odzysku energii 2 posiada odrębne prądnicę/generator 7, przekładnię 8, jednostkę magazynującą 10, sterownik 9 (Fig. 1).

Wbudowana jednostka magazynująca odzysk energii (Fig. 2) składa się z bloków przetwarzających energię 13 i 14, wielu elementów magazynujących energię 16 i układu sterowania 15 sterującego procesem ładowania i rozładowania oraz elementów wykonawczych 17.

Bloki przetwarzające energię dostosowują charakterystykę prądową z danego źródła odzyskiwania energii do charakterystyki prądowej elementów magazynujących 16, układ sterowania 15 zarządza dostosowaną energią kierując energię elektryczną do poszczególnych elementów magazynujących 16 ładując od określonego wcześniej minimum do maksimum kolejno poszczególne elementy lub rozładowując w odwrotnej kolejności.

Podczas wyhamowywania członu egzoszkieletu (członu układu mięśniowo-szkieletowego) energia jest magazynowana w jednostce magazynującej (Fig. 2), a następnie energię kieruje się przez układ sterowania w zależności od zapotrzebowania do jednostki magazynującej lub zasilania innego członu, a w szczególności partii egzoszkieletu mocno obciążonej lub obejmującej fragment ciała w ymagający odciążenia.

Sposób według wynalazku pozwala na to, że układ odzysku energii pobiera i magazynuje energię w jednostce magazynującej np. w kondensatorach oraz we współpracy z układem sterowników zarządza nią i wykorzystuje do zasilania urządzenia.

Jednostką magazynującą i oddającą energię, może być np. akumulator litowo-jonowy, akumulator litowo-polimerowy, superkondensatory.

Energię odzyskuje się:

- Wykorzystując ruch wahadłowy np. kończyny. W jednej fazie ruchu obserwuje się napędzanie danego członu - wtedy egzoszkielet wspomaga dany ruch, w drugiej fazie następuje wyhamowanie i właśnie w tym momencie wykorzystywana jest prądnica i magazynowanie energii.

- W momencie poruszania sprawnym członem człowieka generowana jest praca przez mięśnie, którą można przekształcić w energię, a następnie wykorzystać do napędzania innego przegubu/członu w egzoszkielecie.

Energia ta jest pobierana, dzięki zastosowaniu dodatkowego obciążenia na danym zdrowym członie, następnie przekazywana jest do jednostki układu odzysku energii i tam zarządzana.

Koncepcja odzysku energii opiera się na pracy mięśni antagonistycznych. Mięśnie te mają działanie do siebie przeciwstawne. Jeden z mięśni napędza lub odwodzi daną partię ciała, drugi działa przeciwstawnie, czyli np. wyhamowuje lub przyciąga kończynę. Można wykorzystać pracę tych mięśni do pobierania i magazynowania energii w układzie odzysku energii, a następnie wykorzystać ją do wspomagania zasilania egzoszkieletu. W niektórych przypadkach można kumulować energię z pracy obydwóch grup mięśni, czyli podczas napędu i hamowania, (rozwiązanie drugie), w niektórych przypadkach można wykorzystać tylko pracę mięśni przeciwstawnych do ruchu, który będzie odwzorowywał egzoszkielet (rozwiązanie pierwsze). Obie koncepcje odzysku mogą być stosowane w urządzeniu alternatywnie lub jednocześnie.

PL 224 692 B1

P r z y k ł a d

Odzysk energii w kończynie dolnej

Podczas chodu człowieka występuje na kończynach dolnych w stawie kolanowym ruch zbliżony do ruchu wahadłowego, w którym występuje, napęd i wyhamowanie. W momencie wyhamowania kończyny dolnej tracona jest energia, którą można pozyskać i gromadzić w układzie odzysku energii.

Dodatkowo, rozszerzając układ kinematyczny na większą liczbę par kinematycznych - członów np. na staw biodrowy i skokowy, magazynuje się energię podczas ruchu człowieka, wykorzystując energię, którą człowiek napędza nogę oraz ją wyhamowuje podczas chodu np. w stawie biodrowym.

Sposób zamiany energii mechanicznej w elektryczną:

Na każdym członie umieszczany jest układ generator-silnik, jako dwa obiekty silnik i odrębny generator/prądnica oraz sterownik.

Układ zasilania egzoszkieletu składa się z 3 elementów to jest fig. 1 jednostki magazynującej energię z układu napędowego 6 (np. akumulator litowo-jonowy, akumulator litowo-polimerowy czy system superkondensatorów), jednostki magazynującej energię z układu odzysku energii 10 magazynującego energię uzyskaną z różnych źródeł np. ruchu członu czy ogniw fotowoltaicznych oraz układu sterowania - układ zarządzający dwoma wyżej wymienionymi zespołami elementów. Składający się z jednego lub większej liczby sterowników.

Układ odzysku energii ma za zadanie gromadzenie energii powstałej podczas ruchu człowieka w stawie, który jest wspomagany przez egzoszkielet - podczas ruchu przeciwnego niż zadany, a w pozostałych stawach obejmujących urządzenie - podczas generowania ruchu.

Jednostka magazynująca układu odzysku energii (Fig. 2) składa się ze źródeł odzysku energii 11, 12, które połączone, są z blokami przetwarzającymi energię 13 i 14, a te z wieloma elementami magazynującymi energię 16, które łączą się z elementami wykonawczymi 17 współdziałającymi z układem sterowania, na który składają się sterowniki sterujące procesem ładowania i rozładowania 15.

Bloki przetwarzające energię 13 i 14, dostosowują charakterystykę prądową z danego źródła odzyskiwania energii 11, 12 do charakterystyki prądowej elementów magazynujących 16. Układ sterowania 15 zarządza dostosowaną energią kierując energię elektryczną do poszczególnych elementów magazynujących 16 ładując od określonego wcześniej minimum do maksimum kolejno poszczególne elementy. Układ sterujący, steruje też rozładowaniem poszczególnych elementów magazynujących zasilając w ten sposób układ napędowy.

Claims (2)

1. Egzoszkielet z układem odzysku energii, składający się z układu kinematycznego, z układu zasilania, znamienny tym, że ma układ napędowy 1, który jest odrębny z układem odzysku energii 2, przy czym układ napędowy posiada odrębny silnik 3, przekładnię 4, jednostkę magazynującą 6 i sterownik 5, a układ odzysku energii 2 posiada odrębne prądnicę/generator 7, przekładnię 8, jednostkę magazynującą 10, sterownik 9.

2. Egzoszkielet według zastrz. 1, znamienny tym, że wbudowana jednostka magazynująca odzysk energii 10 składa się z bloków przetwarzających energię 13 i 14, które połączone są z elementami magazynującymi energię 16 i elementami wykonawczymi 17, przy czym elementy magazynujące 16 i elementy wykonawcze 17 połączone są z układem sterowania 15 sterującym procesem ładowania i rozładowania.