ES2370895B2 - Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano. - Google Patents
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Abstract
La presente invención se refiere a un exoesqueleto robotizado accionado por cables y mecanismos paralelos de reducido peso y volumen, permitiendo al usuario moverse cómodamente y realizar terapias médicas, ayudas a la realización de fuerzas del tipo ortésico, actividades relacionadas con prácticas deportivas o entrenamientos especializados que requieran secuencias de movimientos o ayuda para las tareas cotidianas.#El sistema está formado por un chaleco (8), al cual están adosados el exo-brazo (2), el exo-antebrazo (3), una estructura de cinemática paralela del hombro que permite efectuar un seguimiento de los desplazamientos del hombro respecto al cuerpo, un sistema de compensación del peso (4, 5) del conjunto articulado, accionamientos de potencia (6) que permiten mover de manera controlada el brazo articulado, un sistema de alimentación autónomo y una unidad de control basada en computador (1) en la que residirán los procedimientos de control de movimiento, que pueden ser programados, tele-operados o coordinados.
Description
Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano.
Campo de la invención
La presente invención se engloba dentro del campo de medicina de rehabilitación, equipos de entrenamiento deportivo, robótica de cinemática paralela y robots asistenciales. En concreto, la invención se refiere a exoesqueletos que se pueden superponer al brazo de una persona para proporcionarle asistencia en rehabilitación, en entrenamiento deportivo, o en la vida diaria, ayudando a mover los brazos, según patrones de movimiento destinados a conseguir su rehabilitación o entrenamiento o la ejecución de los movimientos diarios más frecuentes.
Antecedentes de la invención
En la actualidad, los robots de rehabilitación que existen en el mercado internacional se pueden clasificar en:
- 1.
- Robots fijos: Son de gran tamaño, peso e inercias. Necesitan estar anclados a una silla, al suelo o a una pared. Su apariencia es la de un robot industrial que rodea al usuario que suele estar sentado. El paciente no se puede desplazar.
- 2.
- Robots tipo jaula: Es una estructura esquelética de habitación de cuyos extremos salen cables que controlan la posición del brazo del paciente, tumbado en una camilla en el centro. Es una estructura fija, muy voluminosa que se instala en centros hospitalarios.
- 3.
- Robots tipo joystick: El usuario agarra con la mano un elemento, que puede envolver o no su muñeca y lo desplaza en un área de trabajo reducida. Un ordenador situado frente a él reproduce los movimientos realizados de forma simplificada (acercamiento o alejamiento de puntos).
- 4.
- Exoesqueletos. Son robots que se colocan sobre el brazo para aumentar su fuerza o para hacer rehabilitación. La mayoría de los modelos conocidos presentan grandes estructuras mecánicas y disponen de grandes actuadores de potencia para moverlas. Algunos son robots de cuerpo completo para soportar el peso del robot. Las versiones que sólo cubren la parte superior del cuerpo, son el maestro que permite controlar a un robot externo esclavo. Sólo utilizables por personas sanas.
Las principales deficiencias o desventajas y problemas no resueltos de estos modelos son:
- -
- Gran volumen: Dificulta la movilidad en los entornos humanos e impide llevarlo a casa o a diario con el paciente.
- -
- Gran peso: Un exoesqueleto pesado no es apto para pacientes que tienen los músculos débiles o personas mayores.
- -
- Apariencia industrial: Un robot grande atemoriza. Además estigmatiza a su usuario. Su aspecto imposibilita su uso diario en los entornos en que la persona se mueve habitualmente.
- -
- Complejidad: Los elementos de alta precisión, materiales caros, y mecanismos complejos impiden su aplicación doméstica. El reto es conseguir una solución eficaz y sencilla.
- -
- Articulación del hombro: Casi todos los sistemas robóticos tratan el hombro como una junta esférica, pero en realidad su comportamiento no es este. El hombro no mantiene una posición fija ni un eje o centro del giro fijo. Se desplaza arriba-abajo y delante-detrás, cambiando así el centro de giro durante los movimientos.
En 1995 Marc D. Taylor patentó (US5,417,643, referencia [2]) un soporte rudimentario para el brazo anclado a una silla en la que se coloca al usuario que permitía hacer ejercicios de elevación y rotación del brazo con fines de rehabilitación. Desde entonces ha habido una tendencia clara en diseño de robots de rehabilitación a situar al paciente en una silla de ruedas o fija y colocarlo junto al robot que moverá su brazo. A este tipo de robots, que llamaremos “robots fijos”, corresponden diseños como el divulgado en la patente US6,007,500 [8] de 1999, el divulgado en la referencia [9] de 2003, el ARMin, ARMin II, ARMin III de la universidad de Zurich [3] de 2007, o el robot de TSAI de la Universidad Nacional de Taiwan [4] del 2010.
En 1998, Mark E. Rosheim presentó una de las primeras patentes de exoesqueleto moderno, US5,845,540-B1 [6]. Se trata de un sistema maestro-esclavo en el cual un operador humano se coloca sobre el cuerpo el exoesqueleto y lo usa como joystick maestro para manejar un robot esclavo. A este tipo, “Exoesqueletos maestro-esclavo”, corresponden el divulgado en la patente 5,845,540 [5] patentado en 2001 por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Seúl y el modelo patentado por Schiele, Andre Visentin, Gianfranco, EP1364755-B1 [1], presentado dos años después para aplicaciones espaciales.
El producto ReoTherapy ReoGo de Motorika [11] del 2009 es un joystick de gran tamaño, que llega desde el suelo hasta la altura de la mano de una persona sentada en una silla de ruedas. El usuario mueve la palanca y un programa de ordenador muestra en una pantalla el movimiento de un punto que representa su mano. Le propone objetivos que el usuario debe alcanzar motivándolo mediante el juego de ordenador a ejecutar movimientos.
El MacARM [12] de Intelligent automation Inc del 2005 es un robot fijo de tipo jaula. El paciente se tumba en una camilla en el interior y unos cables desde las esquinas de la jaula desplazan su brazo por el espacio con fines de rehabilitación. Las invenciones [15] y [16] son relativas al “Sistema para entrenamiento bilateral” que consiste en una gran plataforma inclinada que se fija sobre una mesa o superficie plana. El paciente agarra unas manivelas y estas mueven las manos del paciente en movimientos deslizantes hacia delante y detrás. El sistema no es portable, ni exoesquelético. Corresponde al tipo “robot fijo”.
La patente de referencia [1], EP1364755-B1, del 2003 es un exoesqueleto para brazo con 16 grados de libertad pensado para aplicaciones espaciales, concebido como un sistema maestro para dar órdenes a un robot esclavo para trabajos de mantenimiento en el espacio, devolviendo una realimentación de fuerzas (tipo joystick) que contribuya a manejar al robot esclavo con comodidad. Tiene mecanismos complejos como la unidad de actuación telescópica, un alto número de actuadores, sistemas de pretensado ajustables y muchos cables recorriendo el exoesqueleto para controlar las numerosas juntas. Su diseño no está bien adaptado a la rehabilitación, ni al entrenamiento, ni al uso por personas con debilidad motora. Para estas aplicaciones se requiere un sistema ligero, que pueda conseguir gran movilidad. La presente invención lo consigue con tan sólo 5 actuadores, y usando elementos ligeros, de reducido volumen y fácilmente ocultables. Además consigue un seguimiento correcto del movimiento del hombro gracias a la estructura paralela del hombro, y dispone de un sistema de compensación del peso del brazo que no tiene la patente EP1364755-B1, por estar concebida para ser movida por un brazo humano y no para mover el brazo.
La solicitud de patente PCT/ES2009/070305 titulada “Brazo robótico para el control del movimiento del brazo”
[10] pertenece al grupo de “robots fijos” en una versión particular que sitúa al paciente sobre una camilla hospitalaria. El robot va anclado al techo y toma el brazo por su parte más alejada del cuerpo. Como todos los robots fijos no son aptos para acompañar a un paciente que se desplaza.
El exoesqueleto RUPERT [19] del que existen ya tres versiones, es un exoesqueleto actuado por sistemas neumáticos, con cuatro grados de libertad, uno en el hombro, dos en el codo y otro en la muñeca. Las principales debilidades de esta solución son que no lleva compensación de gravedad, que sólo dispone de un grado de libertad en el hombro, lo que hace inviable seguir a esta articulación en un rango normal de movimientos y la presencia de actuación neumática que obliga a conectarse a una fuente externa de aire a presión, que reduce su independencia y movilidad y lo hace ruidoso y difícil de ocultar a la vista.
La patente US7,862,524-B2 de referencia [7] es un exoesqueleto para el brazo para fines de rehabilitación del hombro que consta de potentes actuadores de potencia y voluminosas reductoras de tipo “harmonic drive” emplazadas directamente en las uniones de los eslabones que componen la estructura. Por su diseño es un sistema pesado, y que lógicamente necesita que los actuadores sean grandes, que no se pueden esconder y genera importantes pesos e inercias que complican el control del movimiento del brazo. Se distingue prácticamente de todos los modelos anteriores por tener una articulación torso-hombro que no aparece en ningún otro modelo. Esto supone un paso importante en la resolución del problema del hombro, pero sólo considera el desplazamiento del hombro en el plano frontal y fundamentalmente en vertical, lo que constituye una solución incompleta.
Hasta hoy no se conocen modelos de bajo coste, ni modelos de peso reducido con fuerza para mover el brazo del enfermo, ni sistemas de rehabilitación portátiles que se puedan llevar al propio hogar, ni exoesqueletos portables con compensación pasiva de la gravedad, ni sistemas que se adapten bien a la movilidad del hombro, ni exoesqueletos de entrenamiento deportivo que permitan practicar movimientos para perfeccionar la ejecución de los mismos. La presente invención resuelve los problemas comentados.
Referencias
[1] Patente EP1364755-B1. Título: “Exoesqueleto para un brazo humano, Particularmente para aplicaciones espaciales”. Publicación BOPI (OEMP): ES2334780-T3. Autores: Andre Schiele; Gianfranco Visentin.
[2] Patent Number US 5,417,643. “Continuous passive motion exercise device” Inventor: Marc D. Taylor, Columbus, Ohio. Asignado a: Danninger Medical Technology, Inc, Columbus Ohio.
[3] “ARMin-Exoskeleton for Arm Therapy in Stroke Patients” Tobias Nef, Matjaz Mihelj, Gabriela Kiefer, Christina Perndl, Roland Müller, Robert Riener, member IEEE. University Zurich, Switzerland. 2007.
[4] TSAI -OCT 2010] “An Articulated Rehabilitation Robot for Upper Limb Physiotherapy and Training”. B.-C. Tsai, W.-W. Wang, L-C. Fu and J.-S. Lai National Taiwan University Hospital, National Taiwan University, Taiwan.
[5] Patent No: US 6,301,526 B1. “Master device having force reflection function”. Inventores: Mun Sang Kim, Soo Yong Lee, Chong won Lee del “Institute of Science and Technology, Seoul (KR).
[6] U.S. 5,845,540 “Robotic Manipulator” Inventor Mark E. Rosheim, St Paul, Minn. Por “Ross-Hime Designs, Incorporated, St. Paul, Minn.
[7] Patent Number US 7,862,524 B2 “Portable arm exoskeleton for shoulder rehabilitation”. Inventores: Craig R. Carignan, Michael Scott Liszka. Jan. 4, 2011.
[8] Patente U.S. 6,007,500 “Shoulder, rotator cuff, and elbow stretching machine”. Inventor John J. Quintinskie, Jr. 31025 5th Ave. South, Federal Way, Wash 98003. Dec. 28, 1999.
[9] “Upper extremity exoskeleton structure and method”. Inventores: Vladimir Zemlyakov, Haverhill MA (US); Patrick McDonough, Kensington, NH (US). Jun. 26, 2003.
[10] Solicitud de patente PCT/ES2009/070305 “Brazo robótico para el control del movimiento del brazo”. Inventores: Jose María Sabater Navarro, Eduardo Fernandez Jover, Nicolas Manuel García Aracil, Jose María Azorín Poveda, Carlos Perez Vidal. 11 marzo 2010.
[11] ReoTherapy ReoGo de Motorika. Producto comercial.
[12] “Development of the MACARM -a Novel Cable Robot for Upper Limb Neurorehabilitation”. David Mayhew, Benjamin Bachrach,W. Zev Rymer, and Randall F. Beer. Proceedings of the 2005 IEEE.
[13] Solicitud de patente europea EP02075669 “Dispositivo de locomoción de la marcha”. Inventor: Amit Goffer por ARGO Medical Tech. 2002.
[14] Solicitud de patente internacional PCT/CH2002/000255 “Dispositivo de reeducación y/o entrenamiento de los miembros inferiores de la persona”. Inventores: Roland Brodard, Raymond Clavel por la Fondation Suisse por les Cybertheses.
[15] “Dispositivo ortésico dinámico para la monitorización, diagnóstico y supresión de temblor patológico”. Inventores: Jose Luis Pons Rovira, Eduardo Rocon de Lima, Andre Ruiz Olaya, Ramón Ceres Ruiz, Leopoldo Calderón Estevez, Juan Manuel Belda -Lois, Javier Sanchez Lacuesta, Ricard Barbera Guillem, Jaime Prat Pastor. C.S.I.C. Instituto de biomecánica de Valencia. 2008.
[16] “Mecanismo de desplazamiento cartesiano con transmisión única y doble accionamiento”. Inventores: Jose Miguel Sanchez Soler, Miguel �?ngel Abad Martín-Camuas, Artemio Paya Vicens. 2006.
[17] PAT US 2001/001,222 “Dispositivo para el entrenamiento bilateral” Jill Whitall, Sandy McCombe-Waller, David Grant.
[18] PAT US 2006/0,194,677 “Bilateral arm trainer and method of use”. Jill Whitall, Sandy McCombe-Waller, David Grant. Continuación de la solicitud del 2002 PCT/US01/001222.
[19] “Design and Control of RUPERT: A device for Robotic Upper Extremity Repetitive Therapy”. Thomas G. Sugar, Jiping He, Edward J. Koeneman, James B. Koeneman, Richard Herman,H. Huang, Robert S. Shultz, D.E. Herring,J. Wanberg, Sivakumar Balasubramanian, Pete Swenson, Jeffrey A. Ward. IEEE Transactions on neural systems and rehabilitation engineering vol 15. N-3 Sept 2007.
Descripción de la invención
La presente invención se refiere a un exoesqueleto robotizado vestible accionado por cables y mecanismos paralelos que lo caracterizan por ser de reducido peso y volumen para ser vestido sobre el tronco humano y los brazos y que puede ser utilizado de manera habitual para aportar fuerza al usuario.
La presente invención resuelve los problemas del estado del arte anteriormente enumerados mediante una estructura paralela con componentes elásticos que tiene en cuenta los grados de libertad adicionales debidos al desplazamiento del punto de giro del hombro en las tres dimensiones del espacio. El conjunto de la plataforma paralela del hombro aporta, no solo el movimiento torso-hombro que permite su elevación en el plano frontal, sino también el movimiento en los planos sagital y transversal no considerados en el diseño de la patente US6,007,500, ni en ningún otro. Adicionalmente hay que resaltar que esta movilidad se consigue de forma pasiva (muelles superior e inferiores), por lo cual, sigue correctamente los movimientos del hombro en cualquiera de los modos de realización presentados, y no de forma aproximada.
Además el robot exoesquelético vestible tiene un accionamiento basado en cables, que distribuye los actuadores de potencia fuera del brazo, es mucho más ligero, menos voluminoso, con menor consumo, y por todo ello, una visión completamente diferente en la que la mecánica se puede esconder de la vista y su reducido peso lo hace mucho más apto para ser empleado por personas con debilidad motora.
El sistema es aplicable en la asistencia a personas con limitaciones motoras, en funciones de rehabilitación de las extremidades o ayuda al movimiento de estas. Es aplicable también en actividades de tipo general que requieran control y coordinación de movimientos tales como: entrenamiento deportivo (tenis, ping-pong,...), entrenamientos de tipo médico quirúrgico (aplicaciones de laparoscopia, etc.), manipulaciones especializadas en control de navegación, caracterizadas por la capacidad del dispositivo de reproducir movimientos prefijados o controlados por un asistente mediante operación directa o remota.
El exoesqueleto objeto de la presente invención aporta las siguientes ventajas:
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- Ligereza o reducción de peso y volumen: Evita que el usuario cargue peso innecesariamente y le permite moverse con libertad por entornos humanos. Además todo contribuye a poder llevarse el robot a casayala calle. Esta ventaja es proporcionada por el accionamiento de cables (que permiten sacar los motores del brazo, reduciendo el peso del mismo y el tamaño de los actuadores necesarios), por la estructura cinemática paralela del hombro (que permite reducir el número de actuadores necesario para hacer un buen seguimiento del hombro) y por el sistema de compensación cinetostático (un muelle superior y dos muelles inferiores compensan el peso del brazo, por lo que se requiere menos par para moverlo, reduciendo así el tamaño y peso de los motores).
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- Seguimiento correcto del hombro: Seguimiento correcto de los desplazamientos del hombro respecto al cuerpo en el espacio (proporciona 3 grados de libertad adicionales). Evita dolor y molestias al usuario. Proporcionado por la estructura de cinemática paralela del hombro (por el diseño de la estructura que une exo-brazo y chaleco, se consigue seguir el movimiento del hombro en el espacio sin forzarlo).
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- Sencillez y bajo coste: Para poder dar acceso a tratamiento a muchos pacientes. El diseño evita los elementos complejos de pretensado y ajuste.
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- Sencillez de grabación de movimientos y sencillez de control para el usuario: Intuitivo para médicos, terapeutas, entrenadores y usuarios. Proporcionado por unos dedales o sensores de presión externos, que permiten un guiado sencillo e intuitivo del brazo muy parecido al que usaría un médico en el tratamiento manual. Permiten también al usuario mover con un dedo o dos su brazo impedido.
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- Versatilidad: Proporcionado por un computador programable y los dedales externos, permitiendo que resulte sencillo grabar múltiples y diferentes movimientos para repetir su ejecución.
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- Comodidad, ajuste al cuerpo: Proporcionado por acolchamientos, zonas de sujeción amplias, puntos de apoyo rígidos y amplios de componentes que soportan presiones y fijaciones mediante bandas elásticas, que hacen que el usuario no sienta esfuerzos puntuales o localizados en áreas concretas de su cuerpo. Los esfuerzos se distribuyen en amplias zonas mejorando su confort.
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- Método sencillo de mejorar el control de los cables: Proporcionado por poleas helicoidales, que hacen que el cable de tracción vaya por el surco y así se evita que el cable se monte sobre sí mismo de forma aleatoria en diferentes vueltas. Esto permite saber mejor la cantidad de cable recogido o liberado, mejorando el control de posición de forma sencilla, ligera y de bajo coste.
La presente invención dispone de importantes características técnicas, las cuales permiten solucionar distintos problemas:
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- Estructura cinemática paralela del hombro, que proporciona las siguientes ventajas:
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- Seguimiento correcto del hombro: Permite seguir el movimiento del eje de giro del hombro en todas direcciones. Es decir, además de los tres grados de libertad básicos cubre el desplazamiento del hombro en vertical y horizontal (en los planos frontal, sagital y transversal), gracias a sus elementos elásticos, sin producir daño ni molestia al usuario y permitiendo el control del brazo.
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- Ligereza o reducción de peso y volumen: Un muelle superior y dos muelles inferiores compensan el peso del brazo, por lo que se requiere menos par para moverlo. Se reduce así el tamaño y peso de los motores y el número de elementos necesarios para su control (menos motores) y para el guiado de cables (menos cables, fundas, poleas,...), reduciéndose por tanto el peso del conjunto.
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- Reducción del consumo, aumento de la autonomía: Por usar motores de menor potencia, el consumo de energía es menor.
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- Sencillez y bajo coste: Emplea pocos elementos, sencillos y ligeros (muelles, cables y piezas sencillas). Evita sistemas complicados de pretensado y sistemas de múltiples poleas de guiado o mantenimiento de tensión en los cables. Evita además sistemas de seguimiento del hombro basados en múltiples grados de libertad o en grandes y pesadas piezas rígidas que requieren precisión y ausencia de holguras que encarecen el sistema. No se necesita titanio o materiales caros para su construcción eficaz. Se puede hacer con materiales de uso corriente.
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- Gran área de trabajo útil: Por su diseño, permite el funcionamiento manteniendo una gran área de trabajo útil. Otros mecanismos del estado del arte limitan el área de trabajo real por el tamaño de sus motores, o por sus estructuras, que colisionan en ciertas posturas o por los mecanismos complejos que circundan el brazo o por la dificultad de mantener la fuerza de tracción en todas las posiciones sin añadir actuadores adicionales.
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- Camuflable: El diseño hace que no sobresalgan piezas voluminosas, lo que lo hace ocultable a la vista bajo la ropa. Esto facilita la aceptación del paciente.
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- Actuación mediante cables: Proporciona ligereza, reducción de peso y volumen, reducción del consumo y permite que sea camuflable. Permite trasladar los motores fuera del brazo, reduciendo el peso de la carga y por tanto la necesidad de par motor.
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- Exoesqueleto: Al tratarse la invención de un exoesqueleto, aporta movilidad al usuario, permitiéndole moverse con libertad por entornos diversos (hacer el tratamiento en casa, entrenar en cualquier sitio, recibir asistencia a un brazo impedido en la calle).
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- Su diseño: Es camuflable, el diseño hace que no sobresalgan piezas voluminosas lo que lo hace ocultable a la vista bajo ropa. Esto facilita la aceptación del paciente y otros.
El exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano comprende:
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- una exo-muñeca, que comprende al menos un anillo para soportar la muñeca del usuario y permitir su giro;
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- un exo-antebrazo, unido a la exo-muñeca y encargado de soportar el antebrazo del usuario;
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- un exo-brazo encargado de soportar el brazo del usuario, unida al exo-antebrazo mediante una articulación móvil para permitir el giro del codo del usuario;
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- una unión del exo-brazo con la plataforma móvil del hombro para permitir la rotación del brazo en el hombro;
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- una pluralidad de cables de tracción para forzar el movimiento de cada articulación;
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- una pluralidad de actuadores de potencia para actuar los cables de tracción;
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- medios portadores para ser portados por el usuario y encargados de soportar los actuadores de potencia;
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- una estructura de cinemática paralela del hombro, encargada de proporcionar la movilidad del brazo con respecto al hombro y de efectuar un seguimiento correcto de los desplazamientos del hombro respecto al cuerpo, que comprende al menos una pluralidad de cables que conectan un soporte de brazo, que actúa como plataforma móvil de la estructura de cinemática paralela, con los medios portadores, que actúan como plataforma base de la estructura de cinemática paralela.
La estructura de cinemática paralela del hombro comprende preferentemente un sistema de compensación de gravedad, formado por una pluralidad de muelles que conectan el soporte de brazo y los medios portadores para soportar parcial o totalmente el peso del brazo del usuario.
En una realización preferida el sistema de compensación de gravedad comprende al menos uno de los siguientes:
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- un par de amortiguadores inferiores que soportan el brazo por delante y por detrás del mismo, apoyándose en dos puntos situados en la parte inferior de los medios portadores.
- -
- un muelle superior anclado, en vertical cerca de una hombrera, a los medios portadores y unido por el otro extremo al soporte del brazo.
La exo-muñeca está preferiblemente formada por tres anillos concéntricos, disponiendo el anillo central de forma de polea para guiar un cable tractor y poder rotar sobre su eje para girar la muñeca del usuario en sentido horario o antihorario.
Tanto el exo-antebrazo como el exo-brazo comprenden preferentemente, para mantener el brazo del usuario sujeto al exoesqueleto, una rejilla con forma de semicilindro, unos acolchamientos y unas fijaciones mediante bandas elásticas para sujetar el conjunto y distribuir la presión por todo el brazo.
La estructura de cinemática paralela del hombro puede comprender un cable de tracción hacia abajo, encargado de forzar el movimiento del brazo hacia abajo, que se divide en una pluralidad de tendones para equilibrar el movimiento y obtener puntos de anclaje sobre el soporte base desplazados lateralmente.
En una realización preferida a estructura de cinemática paralela del hombro comprende:
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- un cable de tracción encargado de actuar sobre el brazo desde la parte delantera para forzar el movimiento del brazo hacia adelante, y
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- un muelle anclado por detrás del brazo a la espalda de los medios portadores, para forzar el movimiento del brazo hacia atrás.
En otra realización la estructura de cinemática paralela del hombro comprende:
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- un cable de tracción encargado de actuar sobre el brazo desde la parte trasera para forzar el movimiento del brazo hacia atrás, y
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- un muelle anclado por delante del brazo a los medios portadores para forzar el movimiento del brazo hacia adelante.
La rotación del brazo en el hombro se puede efectuar mediante una cualquiera de las siguientes formas:
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- mediante dos cables que trabajan en oposición;
- -
- mediante un cable y un muelle.
La rotación de la muñeca se puede efectuar también mediante una cualquiera de las siguientes formas:
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- mediante dos cables de tracción;
- -
- mediante un cable de tracción y un muelle.
La rotación del codo se puede efectuar mediante una cualquiera de las siguientes formas:
- -
- mediante dos cables de tracción trabajando en oposición;
- -
- mediante un cable de tracción y un muelle.
La articulación del codo comprende preferentemente:
-dos piezas móviles con un eje de giro común, la primera pieza móvil formando parte del exo-antebrazo y la
segunda pieza móvil del exo-brazo;
- -
- unos topes para evitar que el codo pueda girar hacia atrás más allá de una posición límite;
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- una polea, unida solidariamente a la primera pieza móvil, que permite el accionamiento de la articulación del
codo a través de dos cables de tracción.
El exoesqueleto puede comprender:
-un encoder ubicado en la polea para determinar el ángulo que relaciona la posición de la primera pieza móvil
respecto a la segunda pieza móvil;
- -
- un sensor inercial en el exo-brazo para determinar su inclinación;
- -
- un sensor inercial en el exo-antebrazo para, junto con la información del encoder de la polea, determinar la
posición del exo-antebrazo.
- -
- un sensor inercial sobre la hombrera de los medios portadores para determinar la posición relativa del brazo respecto al cuerpo del usuario.
Los medios portadores comprenden preferiblemente un chaleco, y pueden comprender adicionalmente una mochila.
Los actuadores de potencia se pueden seleccionar de entre los siguientes: actuadores lineales, actuadores rotacionales o una combinación de los anteriores. En una realización preferida, los actuadores de potencia rotacionales ejercen su tracción sobre el cable mediante una polea con un surco helicoidal que permite conducir el cable en su recogida.
El exoesqueleto puede comprender también una pluralidad de dedales de sensores externos ubicados en el propio exoesqueleto para activar los actuadores de potencia y así comandar los movimientos del mismo. Cada dedal de sensores externo comprende preferentemente un conjunto de cinco sensores incluidos en el interior (98) de un dedal. Los dedales de sensores externos se pueden disponer en pares de dedales con funciones opuestas.
El exoesqueleto puede disponer de medios de almacenamiento de datos, medios de entrada para selección de un modo de funcionamiento del exoesqueleto y de una unidad de control configurada para, en función de dicha selección, seleccionar uno de los siguientes modos de funcionamiento del exoesqueleto:
- -
- modo de grabación de trayectorias, para registrar los movimientos realizados por el exoesqueleto en los medios de almacenamiento de datos;
- -
- modo de seguimiento de trayectoria grabada, para seleccionar una trayectoria deseada, previamente grabada en los medios de almacenamiento de datos, y repetir dicha trayectoria de manera automática o permitir que el usuario intente seguirla y corregirle cuando se salga de ella;
- -
- modo de seguimiento de sensores externos, para permitir el control del movimiento del exoesqueleto a través de los sensores externos.
Breve descripción de los dibujos
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.
Figura 1: Vista frontal general del exoesqueleto.
Figuras 2A y 2B: Vista posterior del exesqueleto.
Figura 3: Modo de realización del exoesqueleto sin muelle superior y con una mochila que soporta la electrónica
y los actuadores.
Figura 4: Modo de realización del exoesqueleto en el que los actuadores son lineales y están integrados en el chaleco.
Figura 5: Detalles de las partes y articulaciones que componen el brazo exoesquelético, que se coloca sobre el
brazo del usuario.
Figuras 6A, 6B y 6C: Estructura del hombro basada en una estructura de muelles y cables de cinemática paralela.
Figura 7: Esquema simplificado de la estructura del hombro, de cinemática paralela.
Figura 8: Detalle del mecanismo de rotación de la exo-muñeca.
Figura 9: Detalle de la estructura que permite la rotación del hombro, soporta el brazo y facilita el anclaje de este
al chaleco.
Figura 10: Explosión de componentes del mecanismo de rotación del hombro.
Figura 11: Detalle de la polea helicoidal usada por los actuadores rotatorios.
Figura 12: Exoesqueleto cubierto por la ropa exterior, con lo cual no es apreciable el detalle de los mecanismos.
Figuras 13 y 14: Explosión del exoesqueleto robotizado vestible completo.
Figura 15: Terapeuta moviendo el exo-brazo mediante presión sobre los sensores externos situados en el exo
antebrazo.
Figura 16: Terapeuta moviendo el exo-brazo mediante presión sobre los sensores externos situados en el exo-brazo y el exo-antebrazo.
Figura 17: Bloque de cinco sensores externos de presión incorporados al dedal de control.
Figura 18: Disco de ajuste de la carga colocado sobre el soporte del exo-brazo para regular el peso que el usuario puede cargar.
Figura 19: Vista general del brazo del exo-esqueleto con los dedales de sensores externos colocados en el exoantebrazo y el disco de ajuste de carga en el soporte del exo-brazo.
Figura 20: Esquema de funcionamiento del exoesqueleto.
Descripción detallada de la invención
El exoesqueleto robotizado vestible, tiene una configuración y apariencia similar a una prenda de vestir, con el propósito de que se adapte de manera natural y ergonómica a las posturas y movimiento de la persona que lo utiliza, de manera que además de servir para dotar a la persona de un complemento y ayuda al movimiento, no llame la atención y resulte más aceptable en su entorno social y en su percepción personal. El conjunto de la invención está compuesto por unas partes claramente diferenciables y funcionales, mostradas en las Figuras 1 a 4, que se relacionan a continuación:
- 1.
- Un arnés o chaleco (8) debidamente almohadillado que se viste sobre el cuerpo, cuya funcionalidad es la de servir de base a los sistemas de control y potencia (1), fuente de potencia (9), así como a los anclajes (36’) de los exo-brazos (2) y (3) articulados robotizados.
- 2.
- Un sistema de eslabones articulados motorizados, a los que denominaremos exo-brazos (2) y (3), por ser calzados sobre el exterior del brazo(s) humano, con sujeciones convenientemente localizadas sobre cada articulación del brazo del usuario y que sirven para transmitir la fuerza del mecanismo robótico que ayuda al movimiento.
- 3.
- Un conjunto de accionamientos de potencia, formado por actuadores (6, 206) y sistemas de transmisión de potencia a distancia basados en cables de acero ultraflexibles (11) y (13), puntos de anclaje (17) y (66) y sistemas de compensación cinetoestático (4) y (5) para optimizar el gasto de potencia que requiere el sistema.
- 4.
- Un sistema de alimentación de potencia autónomo (9), que puede ser alimentado también por conexión a la red eléctrica.
- 5.
- Un sistema de control de potencia y del movimiento (1) basado en computador, en el que residen los algoritmos que implementan procedimientos adecuados al tipo de usuario y actividad que debe realizar.
- 6.
- Un conjunto de sensores de presión (100 a 103), representados en la Figura 19, que permiten actuar sobre el exo-esqueleto y sensores inerciales de tipo IMU (112), (113) y (114) que permiten conocer su posición y movimiento.
El aparejo con forma de chaleco (8), está constituido por unas capas de material flexible y ligero para la protección del cuerpo, recubierto por un tejido exterior (72), Figura 12, que da la apariencia agradable y sujeción para las partes que lo componen. En algunas áreas de la cara exterior del chaleco se han incorporado piezas plásticas semirrígidas que proporcionan puntos de apoyo para los elementos que deben colocarse sobre él, como los muelles de compensación
(4) o anclajes de cables (65). Estas piezas semirrígidas contribuyen a distribuir los esfuerzos o fuerzas puntuales sobre una superficie y junto con el almohadillado hacen que el usuario no note prácticamente las presiones provocadas por el movimiento del brazo exo-esquelético (2) y (3). La cubierta exterior (72) recubre el mecanismo y con las debidas adaptaciones puede ser asimilada a una de las prendas de vestir de uso diario. El sistema exo-exqueleto al ser accionado por cables tiene la particularidad de permitir que la transmisión de fuerza a cada articulación sea fácilmente integrada bajo la cubierta exterior.
El brazo exo-esquelético es un elemento que se acopla sobre el brazo del paciente fijándolo al mismo y haciendo coincidir las articulaciones equivalentes de ambos (muñeca, codo, hombro). Para conseguir el movimiento de cada articulación la fuerza del actuador de potencia se transmite mediante cables (18), (60), (61), (62), (63), (64) y (70) que van enfundados durante parte de su recorrido consiguiendo así un punto de apoyo para el emplazamiento del motor y otro en la articulación, pudiendo realizar en medio cualquier recorrido que sea necesario para adaptarse a la pose del brazo.
El brazo exo-esquelético, mostrado en la Figura 5, está formado por varios elementos:
-Exo-Muñeca: Es un elemento formado por tres anillos (21), (22) y (23), tal y como se muestra en detalle en la Figura 8. El anillo central (22) tiene forma de polea para guiar el cable tractor (56) y puede rotar sobre su eje ayudando a girar la muñeca del paciente, en sentido horario o antihorario.
-Exo-Antebrazo (3): Es una rejilla con forma de semicilindro que se acopla al antebrazo del paciente. Está unida por un lado a la exo-muñeca y por el otro extremo al exo-brazo (2).
-Exo-Brazo (2): es otra rejilla con forma de semicilindro que se acopla al brazo del paciente y que se une:
- ◦
- Al exo-antebrazo (3) mediante una articulación móvil (15) de un grado de libertad, proporcionando movilidad al codo.
- ◦
- A un soporte de brazo (33) mediante una articulación rotacional que comparte eje de giro con el exo-brazo (2).
- -
- Soporte de brazo 33: es una pieza anular que permite el giro del exo-brazo (2) en su interior y se une al chaleco
(8) mediante una estructura de cinemática paralela y un sistema de compensación cinetoestático que se describe posteriormente.
- -
- Estructura de cinemática paralela del hombro: Se forma una estructura paralela mediante cables alrededor de la unión del hombro y el brazo. Esta estructura cableada entre el soporte de brazo (33) y el chaleco (8) proporciona la movilidad del brazo con respecto al hombro. La estructura la forman un anillo (33) alrededor del brazo que hemos llamado “soporte de brazo” y otro anillo ficticio formado por hombrera (46) y costado del chaleco (45), la parte del chaleco que une los puntos de anclaje de los cables a éste (Figuras 6A, 6B y 6C). Las “patas” de la estructura paralela serían los muelles (4), (5) y (12) y los cables (11) y (13), ver Figura 7, que unen los anillos y el propio brazo del usuario (48) que actúa como una pata adicional de longitud fija, terminada en una junta universal que se desplaza en vertical y horizontal. La fijación de cables en la base móvil (33) se puede hacer de muchas maneras, pero algunas favorecen que la potencia tractora sea mayor desde todos los ángulos (Figuras 6B y 6C). Si el punto de anclaje (130) de los tendones del cable inferior (13) es el indicado en la Figura 6A, funcionará mejor en posiciones del brazo elevadas o a media altura (el anclaje sobresale más de la vertical formada por el eje de giro del hombro (47) y el punto de tracción en el costado (79)) que en posiciones más bajas. Esto se compensa por el hecho de que en posiciones bajas los muelles (4) se acercan también a la vertical y reducen la compensación del peso del brazo. El anclaje (130) de los cables se puede hacer de muchas formas. Por ejemplo, por la parte externa o superior de la base móvil a media altura (Figura 6B). Esto hace que en posiciones del brazo elevadas o medias nos encontremos en las mismas condiciones de antes. En cambio, en posiciones bajas del brazo los cables se separan de la plataforma móvil, manteniéndose anclados a ella por un punto (130) que está más separado de la vertical que forman el eje de giro del hombro y el punto de tracción en el costado. Esto mejora la capacidad de los motores de hacer tracción en posiciones bajas del brazo. Aun se puede mejorar la tracción en zonas bajas, si los puntos de anclaje (130) mencionados se elevan sobre la superficie de la base móvil.(Figura 6C). Esta elevación se puede realizar de muchas formas. Cualquier saliente que proporcione un punto de apoyo elevado, sin o con refuerzos para dar mayor resistencia, en forma de un cuarto de rueda con un surco para guiar el cable y mantener siempre un punto de tracción bien separado del eje mencionado, con forma poligonal para regular la separación de la vertical por tramos, etc. El mismo razonamiento podría aplicarse al otro cable (11) que actúa la plataforma móvil (33), y soluciones similares serían también válidas en el mismo sentido.
- -
- Sistema de compensación de gravedad: Mediante una o varias uniones entre el soporte de brazo (33) y el chaleco (8), los muelles (4) y (5) aportan puntos de apoyo, de referencia y la compensación cinetoestática. De este modo el peso del brazo es soportado en gran medida por los muelles, reduciendo la carga que han de soportar los actuadores de potencia.
El “Sistema de compensación cinetoestático” se compone de:
- -
- Un par de amortiguadores inferiores (4) que soporten el brazo por delante y por detrás del mismo, apoyándose en dos puntos más bajos situados en el chaleco (8). El recorrido de los amortiguadores debe permitir el movimiento del brazo desde posiciones de brazo alzado a brazo abajo y con posibilidad de recorrer el rango normal de movimiento del brazo que corresponde a algo más de un cuarto de esfera cortada verticalmente.
- -
- Un muelle superior (5) anclado, en vertical cerca del hombro, a la mochila (10) o al propio chaleco (8), ver Figura 1 (vista frontal del exoesqueleto), y unido por el otro extremo al exo-brazo (2). En reposo el muelle mantendrá el exo-brazo (2) vertical, compensando el peso del brazo. Para bajar el brazo un actuador tirará hacia abajo mediante el haz de cables (13), ver Figura 2B donde se representa una vista posterior del exoesqueleto con los actuadores, cables, electrónica y alimentación. Así se puede desplazar el brazo por el área de trabajo con una mínima aportación de energía. El actuador que controla este movimiento lo hace mediante la polea (80) que recoge el cable (67) y (13) que va enfundado entre los topes (66) y (79).
Algunos de los elementos anteriores podrían ser suprimidos y el sistema seguiría siendo funcional. Si se elimina el
muelle superior (5), la carga deberá repartirse entre los dos amortiguadores inferiores (4) y viceversa. La eliminación
de un elemento reduce peso y volumen en el área donde va ubicado.
Si se suprimen los amortiguadores inferiores (4) no habrá obstáculos debajo del brazo lo que facilita el movimiento. Además, por su naturaleza “elástica en todas las direcciones” el muelle superior (5) permite conseguir un área de trabajo ligeramente mayor y efectividad como compensador de gravedad en muy diversas posturas (equivalente con el brazo adelantado o retrasado, a medio subir o a medio bajar).
En todos los casos hay que dimensionar el recorrido del componente pasivo (4) y (5) para cubrir el área de trabajo deseada y su rigidez para compensar adecuadamente el peso del brazo de modo que el esfuerzo a realizar por los actuadores de potencia sea mínimo en los dos sentidos de funcionamiento.
El punto más complejo del exo-brazo (2) es el hombro. Hay varios elementos en este diseño que trabajando en conjunto resuelven el problema del cambio de centro de giro que provoca la movilidad del hombro. El chaleco (8) acompaña el movimiento del hombro desplazando los puntos de anclaje del brazo. Por otro lado el exo-brazo (2) va unido solidariamente al brazo del usuario, en lugar de acompañar su movimiento de cerca, como otros modelos. Esto se consigue debido a su forma de semicilindro que recoge el brazo, los acolchamientos que lo acomodan, ajustan y protegen y las fijaciones mediante bandas elásticas que lo aseguran distribuyendo la presión por todo el brazo. Este punto es clave, pues si el robot se desplaza respecto al brazo se perdería la condición de acompañamiento al centro de giro (47). La unión del exo-brazo (2) al chaleco (8) mediante cables y muelles permite que el robot se adapte a los movimientos del brazo en todo su espacio de trabajo.
El conjunto de accionamientos de potencia comprende los actuadores de potencia, lineales (206) y/o rotacionales (6), que aportan la tracción, un sistema de cables ultraflexibles que transmiten la fuerza y unos muelles que permiten el retorno a la posición de reposo y compensan el peso de los elementos móviles. Además hay unos puntos de transición (17, 66) de cable desnudo a cubierto que permiten la transmisión de fuerza entre puntos separados independientemente de su posición.
En el movimiento de elevación/descenso del brazo se podría emplear, por ejemplo, un cable que tirase por arriba ligado a un motor y otro por debajo ligado a otro motor. Sin embargo, la solución más eficiente es un muelle o conjunto de ellos (4, 5) que aporte el empuje vertical suficiente para levantar el brazo por sí mismo y un cable (13) anclado inferiormente que lo haga descender. Por tanto, el brazo sube empujado por los muelles (4, 5) y baja por la tracción del cable que contrarresta el empuje de los muelles. El control de la posición del brazo se consigue regulando la cantidad de cable que se libera en cada momento por medio de un motor. Se evita así la tracción superior mediante cable o actuador desde el hombro que presenta numerosos problemas:
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- Requiere un punto de apoyo que sobresale notablemente del hombro cuando el brazo está relajado para poder levantarlo. Cuando el brazo se eleva el punto de apoyo limita el recorrido del brazo.
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- Exige que los tirantes del chaleco estén muy reforzados, a menudo con cintos de sujeción adicionales para poder servir como punto de tracción. La alternativa es darles mucha rigidez que resulta incómoda al usuario.
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- Requiere actuadores muy potentes, pesados y voluminosos.
Además el cable de tracción hacia abajo (13) se divide en dos (aunque pueden ser más) tendones, como se aprecia en la Figura 6, que permiten equilibrar el movimiento en cualquier posición y tomar puntos de anclaje desplazados lateralmente y más salientes, de modo que la tracción resulte eficaz cuando el brazo está muy elevado y no obstaculice el descenso de éste cuando se encuentra en posiciones muy bajas.
El movimiento hacia delante/detrás se consigue también con tracción por cable (11) desde la parte delantera (punto de anclaje 17) y retorno por muelle (12) anclado por detrás del brazo a la espalda del chaleco, aunque también se podrían situar en posición inversa: muelle (12) delante y cable (11) detrás. La opción de dos cables que trabajen en oposición con un solo actuador de potencia es complicada en el hombro, pues requeriría una alineación perfecta de los dos cables respecto al eje de giro del brazo respecto al hombro, que como ya se ha explicado se mueve constantemente de lugar. Las alternativas serían emplear la que se presenta aquí o la instalación de dos actuadores de potencia independientes y el control de la longitud de cable liberado en cada altura por cada actuador de potencia.
La rotación del brazo en el hombro se podría conseguir indistintamente mediante dos cables (60) y (61) que trabajen en oposición o mediante un cable (60) y un muelle.
En la articulación del codo es preferible la opción de dos cables (62) y (64) trabajando en oposición, pues la alternativa de un cable y un muelle obliga a sobredimensionar el motor. La razón es que en determinadas posturas el muelle compensa la gravedad y en otras se suma a ella dificultando la tarea del motor. Este efecto no ocurre en los casos tratados anteriormente debido a la naturaleza de las articulaciones, su posición y su recorrido.
En la articulación de la muñeca, podría resultar indiferente utilizar doble cable o cable y muelle, pero dado que es el punto más alejado del hombro resulta preferible la solución de menor peso y complejidad, que es un cable (63) y un muelle (51).
Los actuadores de potencia, gracias a la actuación por cable se pueden ubicar en cualquier punto para no ocupar demasiado espacio ni sobresalir. En la espalda no limitan el área de trabajo del brazo. También se pueden ocupar los costados por su parte inferior cerca de la espalda. El peso debe colocarse bajo para estabilizar el conjunto chaleco exoesqueleto y pueden distribuirse de modo que equilibren el peso del exoesqueleto situándolos al lado opuesto, o pueden repartirse por la espalda si se requieren dos exo-brazos actuados.
Los actuadores, los sistemas de alimentación de potencia y los sistemas de control se pueden ubicar también en una mochila (10). Esto permitiría al usuario descargar este peso de su espalda al sentarse. En general, la mochila aumentará el peso del conjunto.
El sistema de control (1) por computador controla la ejecución de los movimientos mediante algoritmos adaptados a la aplicación que se le dé:
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- Rehabilitación: algoritmos para ejecutar los movimientos indicados por el médico o terapeuta.
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- Deporte: algoritmos para ejecutar movimientos de entrenamiento.
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- Aprendizaje en cirugía: algoritmos para repetir los movimientos indicados por el profesor.
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- Asistencia diaria: algoritmos para los movimientos de uso más frecuente en la vida diaria.
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- Asistencia de resistencia: algoritmos que permitan mantener una postura incomoda o agotadora durante largo tiempo con el mínimo esfuerzo. Por ejemplo, en el trabajo de taller, cambiando piezas que requieren tener los brazos elevados largo tiempo, o estar tumbado bajo un coche haciendo fuerza con los brazos levantados.
Los algoritmos presentes en el computador pueden haber sido programados de varias formas:
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- Desplazando externamente el brazo: El asistente (por ejemplo el médico, ver Figuras 15 y 16) toma el brazo o antebrazo del usuario con sus manos y ejecuta el movimiento. Para que el exoesqueleto responda a la acción del médico, este tendrá sus dedos apoyados en los sensores externos de presión (100 a 103) situados en el exobrazo (2) y en el exo-antebrazo (3). Así el computador registra la trayectoria que deberá repetir después.
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- Mediante un elemento externo. El asistente movería un joystick especial dotado de seis grados de libertad (3 de posicióny3de orientación) con amplio recorrido, y el computador registraría la trayectoria de la mano para replicarla con la mano del paciente, moviendo para ello el brazo completo. También podría utilizarse como elemento externo otro exoesqueleto igual al que se presenta que el asistente movería para registrar el movimiento que el asistido debe realizar.
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- Programación directa: En un ordenador externo se simula el movimiento y se genera el patrón de control para cargarlo en la memoria del computador del exoesqueleto.
Sobre el exo-esqueleto hay sensores inerciales (113, 114) tipo IMU -ver Figura 2A-que informan de la posición, velocidad y aceleración del exo-brazo (2) y del exo-antebrazo (3), así como de su inclinación. Se podría haber situado uno solo en la plataforma móvil de la estructura paralela, pero la presencia de estos dos sensores, junto con la información del encoder de la articulación del codo proporcionan información redundante que permite mejorar la estimación de la posición empleando cualquier método de fusión sensorial tipo filtro de Kalman. Adicionalmente se coloca un sensor inercial IMU (112) sobre el hombro del chaleco. De este modo podemos conocer la posición relativa del brazo respecto al cuerpo del usuario que podría estar agachado, inclinado o tumbado para realizar distintos tipos de movimientos.
Ejemplo 1
Modo de realización para rehabilitación de pacientes de ictus
El arnés o aparejo con forma de chaleco (8) es una pieza blanda y flexible que se coloca sobre el tronco del usuario, sirve de apoyo a otras partes y da estabilidad al sistema. Está compuesto por acolchamientos (20), elementos blandos que podrían ser espumas artificiales y materiales viscoelásticos, que acolchan el contacto con el cuerpo, algunos de los cuales están cubiertos por piezas rígidas sobre las que se apoyan otros componentes (4, 17, 18, 36’). El chaleco puede disponer de una cremallera (73) en la parte delantera que permite ponerse y quitarse el exoesqueleto con comodidad.
Sobre las piezas rígidas que conforman el exterior del chaleco se sitúan juntas universales (36’) para la colocación de los amortiguadores (4) y los pasadores de tracción (17) en los que el cable pasa de estar desnudo (11, 13) a estar cubierto (18). En estos puntos se soporta el esfuerzo de tracción que permite desplazar el brazo. Tras los pasadores de tracción en general suele haber presas (65) que embridan el cable enfundado dirigiéndolo en su recorrido hacia los actuadores.
Los actuadores de potencia (6,206) se encuentran acoplados en el propio traje ocultos en lugares discretos y que no molesten o acoplados en una mochila (10) en la espalda. El exo-brazo (2, 3) se une al chaleco mediante la articulación rotatoria del hombro (33) por diversos medios: cables de orientación (11, 13), amortiguadores de gas (4) y/o muelle compensador de gravedad (5) que desliza sobre el pasador (31) en función de la posición que adopte. El exo-brazo (2) se une al exo-antebrazo (3) en la articulación del codo (15). Al final del antebrazo (3) se encuentra la articulación de la muñeca (16).
El exo-brazo (2) y el exo-antebrazo (3) son unas rejillas compuestas por tubos metálicos de aluminio (24), todos ellos recubiertos de una espuma artificial (110) flexible y aislante térmica. Los tubos encajan en unas piezas finales que dan forma de semi-cilindro al exo-brazo (2) y al exo-antebrazo (3). En ellas se acomoda el brazo del usuario. Una alternativa es envolver el brazo con una banda de material visco-elástico con el exterior de espuma hasta alcanzar el tamaño del exo-brazo y exo-antebrazo. La parte visco-elástica se acomoda a la forma del brazo y la de espuma acolcha de forma más uniforme garantizando que el brazo quede bien sujeto por la banda elástica exterior y no resbale por la estructura.
En la Figura 5 se puede distinguir la exo-muñeca (21, 22, 23) que está compuesta por dos anillos externos (21, 23) que se encuentran unidos mediante cilindros de aluminio (42) y encierran a otro anillo con forma de polea estrecha
- (22)
- que desliza en el interior de la estructura anterior. El sistema podría llevar rodamientos axiales o simplemente estar hecho de materiales que permitan un deslizamiento razonable.
Como se muestra en la Figura 8, la polea está unida a un cable (56) del que tira un actuador (6) para obligarla a girar en un sentido. El retorno se consigue mediante un muelle (51) que la devuelve a su posición original cuando los actuadores van liberando el cable desnudo que se recoge en el carril de la polea (22). La polea central (22) dispone de un orificio (50) al que se sujeta un extremo del muelle de retorno (51). El otro extremo se ancla a la pieza exterior
- (23)
- en el saliente (52). La polea dispone también de un saliente (53) que obliga al muelle (51) a estirarse siguiendo un recorrido alejado de la muñeca del usuario.
El cable (56) de tracción, entra por el orificio (55) y pasa por el orificio (54) a un tubo cilíndrico hueco (24) que forma parte de la estructura del brazo y circula por él para llegar hasta los actuadores. En su recorrido interior va vestido por una funda que llega hasta el pasador de su actuador. Para ello circula por el tubo (24), sale por el punto
- (26)
- y entra de nuevo por (28), tal y como se muestra en la Figura 5, de este modo casi no soporta flexión y no hay un estiramiento significativo del cable enfundado (27) en la articulación del codo. Por otro lado no hay prácticamente cables visibles, no ocupan espacio adicional y todo el sistema resulta muy compacto en un volumen mínimo.
El interior de la polea tiene una entrada que permite la entrada de la mano en una determinada orientación en que la apertura es más amplia. Una vez se ha introducido la mano se colocan sobre los rebordes (53) unos acolchamientos de espuma elastomérica en forma de media luna con rebordes que acomodan la muñeca y permiten actuar con suavidad sobre ella, sin forzarla ni dañarla.
La articulación del codo (Figura 5) está formada por dos piezas móviles (26, 29) unidas por un eje de giro común (39). La primera pieza móvil (26) forma parte del exo-antebrazo (3) y la segunda pieza móvil (29) del exo-brazo (2). Ambas disponen de unos topes (43) que evitan que el codo pueda girar hacia atrás y causar lesiones al usuario. En esta articulación aparece también una polea (40), unida solidariamente a la primera pieza móvil (26) que permite el accionamiento de esta articulación. Hay un cable desnudo anclado a la polea que la recorre hasta llegar a la entrada situada en (38). A partir de este punto el cable circula enfundado (37) hasta el actuador. A la salida de la articulación del hombro ambos cables enfundados (27, 37) se recogen en un único haz que va hacia los actuadores.
En la polea (40) hay un encoder que permite saber el ángulo que relaciona la posición de la primera pieza móvil
(26) respecto a la segunda pieza móvil (29). Adicionalmente hay un sensor inercial (114) en el exo-brazo (2) y otro sensor inercial (113) en el exo-antebrazo (3). El sensor inercial (114) del exo-brazo (2) informa de su inclinación. Con la información del encoder de la polea (40) se puede conocer la posición del exo-antebrazo (3), disponiendo además de la información de su sensor inercial (113), con lo que empleando EKF (filtro de Kalman extendido) se puede tener información más precisa y fiable. Adicionalmente se coloca un sensor inercial (112) sobre el hombro del chaleco. De este modo se puede conocer la posición relativa del brazo respecto al cuerpo del usuario que podría estar agachado o inclinado.
La articulación de rotación del hombro (Figuras 5, 9 y 10) está formada en esencia por las piezas (33, 34, 35). La pieza (33) es el punto de apoyo para el resto, pues está anclada al chaleco mediante los amortiguadores (4) y/o a la mochila mediante el muelle superior (5). También se encuentra unida al chaleco mediante los cables de actuación.
Las piezas (34) y (35) se encuentran a ambos lados de la pieza (33), unidas entre ellas mediante los tubos (44) que conforman el brazo. El conjunto (34, 35) desliza sobre la pieza (33) directamente o separándose de ella mediante rodamientos axiales. La pieza 34 tiene forma de polea. A ella van anclados dos cables desnudos que la recorren en oposición, de modo que se pueda accionar en ambos sentidos. Los cables se recogen en una pieza que queda oculta en la Figura 5 y que hace el paso de cable desnudo a cable enfundado para ir hacia los actuadores.
El conjunto (30, 31, 32) es un apoyo para varios elementos del robot. El tubo (31) está unido rígidamente al soporte de rotación del hombro (33) y cumple la función de punto de anclaje del muelle superior (5) de compensación de gravedad. El muelle (5) se ancla sobre la pieza deslizante (32), dándole un margen de recorrido que permite al brazo adoptar las diferentes posturas sin que aparezcan bultos no deseados a causa de la deformación del muelle (5). También se puede observar el elemento (30) que es un tope que limita el recorrido del deslizador y evita que se salga de su guía.
La junta universal (36) permite el acoplo con los amortiguadores proporcionando compensación de la gravedad y un punto de referencia para el movimiento del resto del brazo.
Un diseño básico para resolver el problema del hombro podría consistir en una plataforma de cinemática paralela con cuatro cables que ejercen tracción para elevar el brazo, hacerlo descender, moverlo hacia delante o hacia detrás. En el presente diseño se eliminan dos de estos cuatro cables y se reemplazan por muelles. La tracción superior se elimina y queda sustituida por los muelles de gas (4) y el muelle superior (5). La tracción hacia detrás queda también reemplazada por un muelle (12).
La estructura paralela del hombro está formada por una base fija (45, 46) correspondiente al chaleco, una base móvil (33) de forma anular que corresponde al inicio del exo-brazo y las patas que las unen (4, 5, 11, 12, 13, 48). Todas ellas artificiales salvo la número 48.
La pata (48) es el húmero del usuario. El brazo encaja con el cuerpo de tal forma que su centro de rotación (47) se desplaza en vertical y en horizontal. Esta es la razón que hace necesaria una estructura especial para acompañar al brazo en su movimiento. Por la unión entre brazo y exo-brazo se puede considerar que el humero (48) es perpendicular en (49) al plano de la plataforma móvil (33).
Los amortiguadores inferiores (4) aportan la fuerza necesaria para elevar el brazo. En el mismo sentido trabaja el muelle (5), aunque con matices. Al ser elementos elásticos no es un problema que el centro de rotación (47) se desplace. Con el cable (13) se controlará la elevación del brazo producida por los elementos elásticos (4, 5), regulando la cantidad de cable que se libera y también el descenso del mismo recogiendo el cable que sea necesario. Mientras tanto, los otros tres elementos antagonistas (4, 5) se acomodan a las variaciones de posición del centro de rotación (47).
El cable (11) controla la posición del brazo en el eje horizontal regulando avance y retroceso. Trabaja en oposición al muelle (12). También en este eje hay desplazamiento del centro de rotación (47), pero nuevamente la presencia de elementos elásticos (12) permite la acomodación.
El soporte (33) del exo-brazo es la plataforma móvil de la estructura paralela del hombro. El punto de anclaje (57), mostrado en la Figura 9 (y de manera explosionada en la Figura 10), está adaptado para la incorporación de los cables que controlan la rotación del exo-brazo respecto al soporte (33). Los anclajes (58) proporcionan a los cables que harán la tracción inferior un punto de enganche que sobresale del brazo, mejorando la eficacia del sistema. Por último, la barra (31) acoplada al soporte (33) permite el deslizamiento del elemento (32) entre los extremos (30, 33). En la pieza deslizante (32) engancha el muelle superior (5) que ejerce tracción hacia arriba.
Los actuadores de potencia rotativos que se emplazan en la mochila ejercen su tracción sobre el cable mediante una polea (80) que se muestra en la Figura 11. La polea (80) en lugar de tener un vano cilíndrico plano dispone de un surco helicoidal (84) que permite conducir el cable en su recogida lo que permite tener un mayor control de la longitud de cable recuperada y por tanto de la posición de la articulación. De no existir se producirían superposiciones aleatorias del cable sobre sí mismo que dificultarían el control. El elemento (81) es el punto de anclaje del cable que se introduce por el hueco (82). Existe en ambos extremos de la polea para poder usarla con un solo cable o con dos, de modo que uno se recoja al tiempo que el que trabaja en oposición se libere. Los salientes helicoidales (83) garantizan una correcta conducción del cable. El punto (85) permite la entrada del eje sobre el que rota la polea.
La ropa que debe cubrir el robot en principio es ropa normal o casi normal. Una ropa abultada como un abrigo permitirá camuflar más fácilmente las estructuras, pero en general todo en el robot ha sido diseñado para ocupar un espacio razonablemente moderado. El muelle superior quedaría camuflado bajo el punto (77) o sobresaliendo sólo ligeramente. Esto podría requerir ampliar la holgura de la prenda por esa zona. También se requerirían ampliaciones de volumen en (74) para permitir un libre movimiento de los amortiguadores si están presentes. Otra zona que puede requerir un diseño especial es (75). Es preferible que sobre tela para admitir una fácil extensión y recogida de ropa al mover el codo. La prenda podría ir suelta sobre el robot o fijada en algunos puntos como (76). También se ha considerado que debe existir una apertura en la zona frontal (73), por ejemplo una cremallera para poder ponerse y quitarse la prenda con facilidad, dado que no es un simple jersey, sino que lleva un robot dentro.
Las ventajas del modelo propuesto son:
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- Accionamiento basado en cables: No hay actuadores de potencia en las articulaciones, lo cual reduce el peso ylas inercias del exoesqueleto y la potencia de los actuadores. Éstos se instalan en el chaleco o mochila contribuyendo a la estabilidad del conjunto, reduciendo el volumen y facilitando su ocultación bajo la ropa. El modelo gana ligereza y movilidad.
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- Compensación cinetoestática: Los muelles reducen la carga de los actuadores, y su tamaño, aligerando el sistema y aumentando su autonomía.
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- Estructura de cinemática paralela en el hombro: Resuelve la problemática del hombro mediante una estructura paralela formada por muelles y cables que se acomodan a los desplazamientos de la articulación. La unión exoesqueleto/chaleco no es rígida, aunque sí lo es la unión entre el exoesqueleto y el brazo del usuario y la unión del tronco corporal con el chaleco.
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- Estructura en rejilla semicilíndrica: La estructura en rejilla del “exo-brazo” y “exo-antebrazo” mantiene el brazo del paciente sujeto, acomodado y protegido, al tiempo que mantiene la rigidez del exoesqueleto. La estructura es ligera, permite el paso de cables por el interior de los tubos y podría construirse regulable en longitud mediante un sistema telescópico.
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- Sistema de anillos en muñeca y hombro: La rotación de muñeca y hombro se consigue mediante una estructura de anillos concéntricos más estrecho radialmente, aunque más grande longitudinalmente. Se mantiene la rigidez estructural con volumen reducido.
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- Cinco grados de libertad: Se resuelven los movimientos posibles del hombro, codo y la rotación de la muñeca con sólo cinco actuadores.
El paciente puede colocarse el chaleco sobre el cuerpo como lo haría con un abrigo, esto es introduciendo el brazo que necesita rehabilitación primero por la manga en la que se encuentra el exoesqueleto e introduciendo el otro brazo después. Finalmente cerraría la cremallera y ajustaría el cinturón.
Por su escaso peso y volumen no necesita un entorno abierto y despejado, como los centros de rehabilitación ni como los entornos industriales. Se puede utilizar para ejecutar los ejercicios de rehabilitación en el hogar. Los terapeutas indican que hay varios factores que contribuyen a la rehabilitación eficaz del paciente:
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- Poder realizar ejercicios del tipo “tomar y dejar un objeto” en posición erguida, sentado y agachado. La concepción portable y muy ligera del exoesqueleto facilita la adopción de todas estas posturas, que son imposibles con la mayoría de los sistemas existentes.
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- Poder variar de ambiente de ejecución de la tarea para que el paciente se sienta estimulado a la ejecución de una tarea que por ser repetitiva no resulta atractiva. El exoesqueleto está diseñado para ocupar un mínimo volumen, lo que facilita moverse por todas partes superando con facilidad puertas, pasillos estrechos y ascensores.
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- La frecuencia de los ejercicios de rehabilitación. Poder usarlo en lugares diferentes del hospital aumenta la frecuencia de uso, pues desliga de lugar y horarios. El aspecto de ropa también contribuye a que el usuario acepte mejor el sistema, y esté dispuesto a usarlo en su casa y en otros lugares.
Los movimientos que debe ejecutar para la rehabilitación pueden estar pre-programados, o pueden prepararse de forma específica para el paciente en cuestión. El terapeuta, tras activar el modo grabación, podría agarrar con sus manos el antebrazo del paciente presionando con ellas sobre los sensores externos y el exoesqueleto reaccionará contribuyendo al empuje que ejerce el médico sobre el brazo desplazándolo. Al tiempo el movimiento quedará registrado.
Un modo de realización del módulo de sensores externos es en forma de dedales opuestos. Puede haber un número variable de pares de dedales, situados preferiblemente en el antebrazo (100, 101; 102, 103), como se muestra en la Figura 19 en la que se representan dos parejas de dedales opuestos, de modo que el movimiento del brazo pueda ser dirigido de forma natural agarrando el antebrazo. Los dedales pueden estar ubicados también en la muñeca o en el brazo (105, 106), como se muestra en la Figura 16. En la Figura 17 se muestra, a modo de ejemplo, un módulo de cinco sensores (93, 94, 95, 96, 97) incluidos en el interior (98) de un dedal (99). El terapeuta agarra el brazo del paciente por debajo en una postura natural, como se representa en las Figuras 15 y 16. Encontrará dos orificios amplios (98) para introducir los dedos pulgar y corazón de cada mano. Cada uno de ellos dispone de cinco sensores situados arriba (94), debajo (97), a la derecha (93), a la izquierda (96) y al fondo (95). Al mover su mano tropezará con los sensores ejerciendo presión sobre ellos y activando los actuadores de potencia que colaborarán al movimiento deseado.
Suponiendo que el terapeuta actúa sobre una única pareja de dédalos (102, 103), si ejerce fuerza sobre los sensores superiores (94) de los dedales opuestos (102, 103) el brazo se eleva, si lo hace sobre los dos sensores inferiores (97) el brazo desciende. Si presiona los dos sensores más cercanos a la mano (96) el brazo avanzará hacia delante y si lo hace sobre los dos sensores más cercanos al codo (93) el brazo retrocederá. Si presiona sobre sólo uno de los sensores del fondo (95) el brazo avanzará intentando reducir la presión del sensor y así se conseguirán movimientos laterales de aproximación o alejamiento al tronco del cuerpo, en función del dedal (102, 103) sobre el que esté actuando. Si se presiona sobre ambos sensores del fondo (95) simultáneamente, independientemente de la diferencia de presión, se entenderá que no se desea hacer movimiento lateral. Si se presiona en un superior (94) y en el opuesto inferior (97) se producirá el giro de muñeca-antebrazo en el sentido de giro correspondiente. Si se dispone de 4 sensores (100, 101, 102, 103) en el antebrazo -Figura 19-o dos en el antebrazo (102, 103) y dos en el brazo (105, 106) -Figura 16-, en las proximidades del codo es posible realizar cualquier movimiento. Siguiendo las instrucciones anteriores se puede trasladar el antebrazo a cualquier posición y orientación que sea natural para el hombre. Dado que el brazo humano es una cadena cinemática abierta y que el cuerpo del paciente es mucho más pesado que el antebrazo, el codo y el brazo se adaptarán a la nueva ubicación del antebrazo, manteniéndose el cuerpo en una posición fija. Si replegamos el antebrazo sobre el cuerpo el codo se flexionará. Si lo hacemos manteniendo los sensores a la misma altura el codo flexionará en horizontal, en cambio si situamos los sensores en la misma vertical el codo flexionará en vertical. Además, para grabar movimientos especiales se puede sentar o tumbar al paciente de modo que se consiga mayor inmovilidad del cuerpo, si fuera necesario.
En general, la presión es al mismo tiempo el modo de regular la velocidad de avance. Al soltar el antebrazo éste se detiene, pues los sensores detectan la falta de presión. La diferencia de presión entre las dos manos del terapeuta permite variar la orientación del brazo.
Una vez el movimiento ha quedado registrado, se puede activar el modo reproducción, y el paciente podrá repetir los movimientos que han sido grabados tantas veces como quiera. Mediante un pequeño mando inalámbrico puede elegir la secuencia a reproducir y dar la orden de inicio. También puede usar los sensores externos para indicar por simple contacto con la mano no afectada el inicio de alguno de los movimientos grabados.
Sobre el resultado de la grabación se aplica por defecto un filtrado paso bajo que suavizará la trayectoria y la hará más continua.
Ejemplo 2
Modo de realización con mochila
En la Figura 3 se muestra un ejemplo sencillo de disposición de actuadores de potencia sobre una mochila (10). Esto permite descargarse este peso al sentarse.
Las poleas (80) están unidas por el eje a los actuadores (6) que se encuentran fijados al chaleco o a la mochila mediante los porta-actuadores de potencia (69). La fijación de las poleas que soportan la tracción del cable es doble mediante los porta-actuadores de potencia (69) y los porta-poleas (86). Las poleas ejercen su tracción sobre las articulaciones del robot mediante el cable (67) que vemos enfundado en (62) a partir del pasador (66). El cable enfundado
(62) es guiado a veces por los tubos del brazoyaveces se sujeta en su trayectoria, mediante las bridas o presas (65).
Ejemplo 3
Modo de realización con actuadores lineales
En la Figura 4 se puede observar otro modo de realización en el que los actuadores de potencia (6) van colocados sobre el chaleco (8), siendo ésta una versión integrada en la que no hay mochila (10).
En ella se pueden ver los mismos elementos que en la anterior, pero integrados en el chaleco (8) para ocupar el menor espacio y volumen posibles y para repartirlos de la manera más apropiada. Los pasadores (66) hacen el cambio entre cable enfundado (62) y cable desnudo (67). En esta versión se han instalado actuadores de potencia lineales (206) en los que el vástago (205) está unido al cable desnudo (67) y tira de él o lo suelta para controlar el movimiento. La ventaja de estos actuadores lineales (206) es que se integran muy fácilmente, en el chaleco permitiendo un mejor camuflaje de equipos. Los soportes (204) se colocan a ambos lados del actuador lineal (206), o siguiendo la recomendación del fabricante, procurando ocupar poco espacio. En la imagen se han dibujado solo a un lado para mostrar el vástago.
Ejemplo 4
Modo de realización con 2 brazos
Este modo de realización puede servir para hacer ejercicios con los dos brazos en paralelo o en coordinación de movimientos, por ejemplo para uso deportivo. La diferencia esencial es que se instalarían dos exo-brazos y los actuadores necesarios para mover ambos brazos.
Ejemplo 5
Modo de realización para asistencia a la tercera edad
En el diseño se han eliminado los elementos de alta precisión, que no son necesarios para estos usos convirtiéndolo por su bajo coste en un sistema que se puede adquirir de forma masiva para asistencia a personas mayores o para rehabilitación en el propio hogar, como apoyo para unos músculos debilitados por la edad u otras causas, o para entrenamiento deportivo por su capacidad de reproducir movimientos.
Sobre el mismo montaje descrito en el primer ejemplo, se podría disponer de una serie de movimientos pregrabados que permiten ejecutar las tareas más frecuentes o las más pesadas para que el usuario las pueda realizar sin miedo a provocar un accidente.
En este modo bastaría con seleccionar el programa deseado mediante teclado o unos botones dispuestos sobre el antebrazo. Otra modalidad de uso es el modo “sígueme” en que el usuario puede desplazar su brazo afectado dirigiéndolo con su otra mano mediante el uso de los sensores externos (100, 101, 102, 103, 105, 106). En este caso no se requiere, la misma precisión, por lo que no es necesario el uso de los cuatro juegos de sensores de las dos manos. En general bastará con usar un dedo para moverlo. El usuario colocará el brazo en una posición determinada y el exoesqueleto la mantendrá hasta nueva orden. Esto es una manera de poder sostener cosas sin soportar realmente su peso o sujetar objetos que deben ser manipulados con dos manos.
Si fuera necesario, el usuario puede regular la fuerza que el exoesqueleto es capaz de hacer, desplazando el punto de apoyo de los amortiguadores inferiores en el brazo. Basta para ello que este tenga unas cuantas posiciones prefijadas (la de movimiento normal, carga pesos moderados, carga de pesos medios y carga de pesos elevados). Un modo de realización del punto de anclaje variable sería que éste estuviera en un disco (90) cuyo centro (92) va fijado al exobrazo (2), como se muestra en las Figuras 18 y 19. Un ligero movimiento del disco y la introducción de un pasador
(91) para fijarlo servirán para conseguir la variación del punto de anclaje (104) de los amortiguadores inferiores al exobrazo (alejándolos o acercándolos al hombro) y por tanto la regulación de carga que puede soportar el exoesqueleto.
Ejemplo 6
Modo de realización del conjunto de sensores externos
Si ejerce fuerza sobre los sensores inferiores el brazo se eleva, si lo hace sobre los superiores el brazo desciende. Si se está sujetando por los sensores más cercanos a la mano el brazo avanzará hacia delante y si sujeta por los más cercanos al codo el brazo retrocederá. Si sujeta por ambos a la vez el antebrazo se elevará o descenderá sin avance ni retroceso. Si se desea, por ejemplo, que el brazo avance sin elevarse ni descender se sujetará los sensores superiores e inferiores próximos a la muñeca. La presión es al mismo tiempo el modo de regular la velocidad de avance. Al soltar el antebrazo este se detiene, pues los sensores detectan la falta de presión.
Por último, la Figura 20 representa el esquema de funcionamiento del exo-esqueleto (310). Los actuadores del exoesqueleto son manejados por un sistema de control en bucle cerrado (308) que se asegurará de posicionarlos en todo momento en el lugar deseado.
El bloque (302) permite al usuario o al asistente (300) seleccionar el modo de funcionamiento del exoesqueleto. Los modos esenciales son:
- 1
- Exoesqueleto detenido: No hará nada. Estará en este modo cuando no está en uso o el usuario se lo está colocando.
- 2
- Exoesqueleto en modo grabación de trayectorias: registra los movimientos realizados por el exoesqueleto.
- 3
- Exoesqueleto en modo seguimiento de trayectoria grabada: Se seleccionará la trayectoria deseada y el robot la repetirá un número determinado de veces (programable).
- 4
- Exoesqueleto en modo seguimiento de sensores externos (dedales): El exoesqueleto seguirá los movimientos que indiquen los dedales.
Cualquier contacto con los dedales o sensores externos (304) debería hacer pasar al exoesqueleto al modo “seguimiento de sensores externos”, para protección del usuario. En este modo el usuario podría colocar su brazo en la posición que desee, o detener un movimiento no deseado. Por su parte el médico, terapeuta, el entrenador, o el asistente del que se trate (316) podrá mover el exoesqueleto empleando los dedales y grabar al mismo tiempo en el sistema la trayectoria generada para su posterior reproducción.
El sistema de grabación de trayectorias (318) permite registrar cualquier movimiento que ejecute el exoesqueleto. De este modo se pueden almacenar movimientos de ensayo, movimientos habituales en el quehacer diario, movimientos de entrenamiento o terapia que deben repetirse con frecuencia, etc.
El asistente (316) también puede grabar trayectorias obtenidas por simulación (312) en un ordenador externo o en el del exoesqueleto. De este modo puede retocar o tratar digitalmente trayectorias predefinidas para su posterior ejecución. También puede cargar en el generador de trayectorias (306) aquellas que ya ha usado con otros clientes, que están bien probadas y que demuestran ser más útiles.
En general todas las trayectorias, independientemente de su origen pueden registrarse en el sistema de generación de trayectorias (306) que será el responsable de indicar al sistema de control el movimiento que se desea realizar, si está en modo seguimiento de trayectorias grabadas.
Ejemplo 7
Modo de realización para aplicaciones específicas
En industria, o en aplicaciones especiales, como podría ser en un taller mecánico, podría darse la circunstancia, por ejemplo, de que el usuario realice todo el tiempo el trabajo en posición horizontal, para colocar piezas por debajo en un equipo que se encuentra sobre él mientras él está tumbado boca arriba. En un caso así, tiene más sentido que el sistema cinetostático esté situado en oposición a la fuerza de la gravedad. En esencia el único cambio en este modo de realización es que la plataforma paralela del hombro estaría girada unos 90º respecto a su colocación normal. Igualmente son posibles otras posiciones de la misma plataforma para aplicaciones específicas que lo requieran.
Claims (22)
- REIVINDICACIONES1. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano, que comprende:
- -
- una exo-muñeca, que comprende al menos un anillo (21, 22, 23) para soportar la muñeca del usuario y permitir su giro;
- -
- un exo-antebrazo (3), unido a la exo-muñeca y encargado de soportar el antebrazo del usuario;
- -
- un exo-brazo (2) encargado de soportar el brazo del usuario, unida al exo-antebrazo (3) mediante una articulación móvil (15) para permitir el giro del codo del usuario;
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- una unión del exo-brazo (2) con la plataforma móvil del hombro para permitir la rotación del brazo en el hombro;
- -
- una pluralidad de cables de tracción (67) para forzar el movimiento de cada articulación;
- -
- una pluralidad de actuadores de potencia (6, 206) para actuar los cables de tracción (67);
caracterizado por que comprende:- -
- medios portadores (8) para ser portados por el usuario y encargados de soportar los actuadores de potencia (6, 206);
- -
- una estructura de cinemática paralela del hombro, encargada de proporcionar la movilidad del brazo con respecto al hombro y de efectuar un seguimiento de los desplazamientos del hombro respecto al cuerpo, que comprende al menos una pluralidad de cables (11, 13) que conectan un soporte de brazo (33), que actúa como plataforma móvil de la estructura de cinemática paralela, con los medios portadores (8), que actúan como plataforma base de la estructura de cinemática paralela.
-
- 2.
- Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según la reivindicación 1, caracterizado por que la estructura de cinemática paralela del hombro comprende un sistema de compensación de gravedad, formado por una pluralidad de muelles (4, 5) que conectan el soporte de brazo (33) y los medios portadores (8) para soportar parcial o totalmente el peso del brazo del usuario.
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- 3.
- Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según la reivindicación 2, caracterizado por que el sistema de compensación de gravedad comprende al menos uno de los siguientes:
- -
- un par de amortiguadores inferiores (4) que soportan el brazo por delante y por detrás del mismo, apoyándose en dos puntos situados en la parte inferior de los medios portadores (8).
- -
- un muelle superior (5) anclado, en vertical cerca de una hombrera, a los medios portadores (8) y unido por el otro extremo al soporte del brazo (33).
- 4. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la exo-muñeca está formada por tres anillos (21, 22, 23) concéntricos, disponiendo el anillo central(22) de forma de polea para guiar un cable tractor (56) y poder rotar sobre su eje para girar la muñeca del usuario en sentido horario o antihorario.
-
- 5.
- Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que tanto el exo-antebrazo (3) como el exo-brazo (2) comprenden, para mantener el brazo del usuario sujeto al exoesqueleto, una rejilla con forma de semicilindro, unos acolchamientos y unas fijaciones mediante bandas elásticas para sujetar el conjunto y distribuir la presión por todo el brazo.
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- 6.
- Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la estructura de cinemática paralela del hombro comprende:
-un cable de tracción hacia abajo (13), encargado de forzar el movimiento del brazo hacia abajo, que se divide en una pluralidad de tendones para equilibrar el movimiento y obtener puntos de anclaje (130) sobre el soporte base (33) desplazados lateralmente. -
- 7.
- Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la estructura de cinemática paralela del hombro comprende:
- -
- un cable de tracción (11) encargado de actuar sobre el brazo desde la parte delantera para forzar el movimiento del brazo hacia adelante, y
- -
- un muelle (12) anclado por detrás del brazo a la espalda de los medios portadores (8,10), para forzar el movimiento del brazo hacia atrás.
- 8. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que la estructura de cinemática paralela del hombro comprende:
- -
- un cable de tracción encargado de actuar sobre el brazo desde la parte trasera para forzar el movimiento del brazo hacia atrás, y
- -
- un muelle anclado por delante del brazo a los medios portadores (8, 10) para forzar el movimiento del brazo hacia adelante.
-
- 9.
- Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la rotación del brazo en el hombro se efectúa mediante una cualquiera de las siguientes formas:
-mediante dos cables (60, 61) que trabajan en oposición; -mediante un cable y un muelle. -
- 10.
- Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la rotación de la muñeca se efectúa mediante una cualquiera de las siguientes formas:
-mediante dos cables de tracción; -mediante un cable de tracción (63) y un muelle (51). -
- 11.
- Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la rotación del codo se efectúa mediante una cualquiera de las siguientes formas:
-mediante dos cables de tracción (62, 64) trabajando en oposición; -mediante un cable de tracción y un muelle. -
- 12.
- Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según la reivindicación anterior, caracterizado por que la articulación del codo comprende:
- -
- dos piezas móviles (26, 29) con un eje de giro común (39), la primera pieza móvil (26) formando parte del exoantebrazo (3) y la segunda pieza móvil (29) del exo-brazo (2);
- -
- unos topes (43) para evitar que el codo pueda girar hacia atrás más allá de una posición límite;
- -
- una polea (40), unida solidariamente a la primera pieza móvil (26), que permite el accionamiento de la articulación del codo a través de dos cables de tracción (62, 64).
- 13. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según la reivindicación anterior, caracterizado por que comprende:
- -
- un encoder ubicado en la polea (40) para determinar el ángulo que relaciona la posición de la primera pieza móvil
(26) respecto a la segunda pieza móvil (29); -un sensor inercial (114) en el exo-brazo (2) para determinar su inclinación; -un sensor inercial (113) en el exo-antebrazo (3) para, junto con la información del encoder de la polea (40),determinar la posición del exo-antebrazo (3). -un sensor inercial (112) sobre la hombrera de los medios portadores (8) para determinar la posición relativa del brazo respecto al cuerpo del usuario. - 14. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones1a12, caracterizado por que los medios portadores comprenden un chaleco (8).
-
- 15.
- Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según la reivindicación anterior, caracterizado por que los medios portadores comprenden adicionalmente una mochila (10).
-
- 16.
- Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los actuadores de potencia se seleccionan de entre los siguientes:
- -
- actuadores lineales (106);
- -
- actuadores rotacionales (6);
- -
- una combinación de los anteriores.
-
- 17.
- Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según la reivindicación anterior, donde los actuadores de potencia rotacionales (6) ejercen su tracción sobre el cable mediante una polea (80) con un surco helicoidal (84) que permite conducir el cable en su recogida.
-
- 18.
- Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende una pluralidad de dedales de sensores externos (100, 101, 102, 103, 105, 106) ubicados en el propio exoesqueleto para activar los actuadores de potencia (6, 206) y así comandar los movimientos del mismo.
-
- 19.
- Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según la reivindicación anterior, caracterizado por que cada dedal de sensores externo comprende un conjunto de cinco sensores (93, 94, 95, 96, 97) incluidos en el interior
(98) de un dedal (99). -
- 20.
- Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones 18 a 19, caracterizado por que los dedales de sensores externos se disponen en pares de dedales (100, 101; 102, 103; 105, 106) con funciones opuestas.
-
- 21.
- Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones 18 a 20, caracterizado por que dispone de medios de almacenamiento de datos, medios de entrada para selección de un modo de funcionamiento del exoesqueleto y de una unidad de control configurada para, en función de dicha selección, seleccionar uno de los siguientes modos de funcionamiento del exoesqueleto:
- -
- modo de grabación de trayectorias, para registrar los movimientos realizados por el exoesqueleto en los medios de almacenamiento de datos;
- -
- modo de seguimiento de trayectoria grabada, para seleccionar una trayectoria deseada, previamente grabada en los medios de almacenamiento de datos, y repetir dicha trayectoria de manera automática o permitir que el usuario intente seguirla y corregirle cuando se salga de ella;
- -
- modo de seguimiento de sensores externos, para permitir el control del movimiento del exoesqueleto a través de los sensores externos.
OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCASN.º solicitud: 201131435ESPAÑAFecha de presentación de la solicitud: 31.08.2011Fecha de prioridad:INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA51 Int. Cl. : Ver Hoja AdicionalDOCUMENTOS RELEVANTES- Categoría
- Documentos citados Reivindicaciones afectadas
- A
- WO 2008031023 A2 (OHIO UNIVERSITY) 13.03.2008, página 6, línea 9 – página 11, línea 7; figuras. 1
- A
- ES 2334780 T3 (ORGANISATION INTERGOUVERNEMENTALE DITE AGENCE SPATIALE EUROPEENNE) 16.03.2010, página 4, línea 24 – página 16, línea 39; figuras. 1
- A
- US 7862524 B2 (CARIGNAN et al.) 04.01.2011, columna 4, línea 29 – columna 7, línea 40; figuras. 1
- A
- WO 2011029564 A2 (COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES) 17.03.2011, páginas 1-5; figuras. 1
- A
- US 2010204804 A1 (COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE) 12.08.2010, párrafos [71-208]; figuras. 1
- A
- US 2008009771 A1 (PERRY et al.) 10.01.2008, párrafos [77-130]; figuras. 1
- Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
- El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
- Fecha de realización del informe 21.11.2011
- Examinador J. Cuadrado Prados Página 1/4
INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICANº de solicitud: 201131435CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD A61F5/01 (2006.01)A61H1/02 (2006.01) B25J9/00 (2006.01) Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación)A61F, A61H, B25JBases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI, PAJ, ECLA, INTERNET.Informe del Estado de la Técnica Página 2/4OPINIÓN ESCRITANº de solicitud: 201131435Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 21.11.2011Declaración- Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 1-21 SI NO
- Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 1-21 SI NO
Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).Base de la Opinión.La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.Informe del Estado de la Técnica Página 3/4OPINIÓN ESCRITANº de solicitud: 2011314351. Documentos considerados.-A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.- Documento
- Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
- D01
- WO 2008031023 A2 13.03.2008
- D02
- ES 2334780 T3 16.03.2010
- D03
- US 7862524 B2 04.01.2011
- D04
- WO 2011029564 A2 17.03.2011
- D05
- US 2010204804 A1 12.08.2010
- D06
- US 2008009771 A1 10.01.2008
- 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaraciónLa solicitud se refiere a un exoesqueleto robotizado vestible, que se puede superponer al brazo de una persona para proporcionar asistencia en rehabilitación, entrenamiento deportivo, o en la vida diaria, ayudando a mover los brazos según patrones de movimiento destinados a conseguir su rehabilitación, entrenamiento o la ejecución de los movimientos diarios más frecuentes. El exoesqueleto tiene una configuración y apariencia similar a una prenda de vestir, con el propósito de que se adapte de forma natural y ergonómica a las posturas y movimientos de la persona que lo utiliza, de manera que además de servir para dotar al usuario de un complemento y ayuda al movimiento, no llame la atención y resulte más aceptable en su entorno social y en su percepción personal.La actuación del exoesqueleto de la solicitud se basa en un accionamiento por cables y con una estructura de cinemática paralela del hombro, que le proporcionan un reducido peso y volumen para ser vestido sobre el tronco humano y los brazos, de modo que puede ser utilizado de manera habitual para aportar fuerza al usuario. En concreto, con la estructura de cinemática paralela en el hombro se pretende resolver la problemática de la articulación del hombro mediante una estructura paralela formada por muelles y cables que se acomodan a los desplazamientos de la articulación, proporcionando una unión exoesqueleto/chaleco no rígida, aunque sí lo es la unión entre el exoesqueleto y el brazo del usuario y la unión del tronco corporal con el chaleco.En el estado de la técnica existen gran variedad de exoesqueletos diseñados para la extremidad superior de un cuerpo humano, algunos de los cuales permiten ser llevados sobre el tronco del usuario y el brazo que pretende moverse, en los que los objetivos o las funciones para las que han sido concebidos son iguales o similares a las que se citan a modo de ejemplo en la solicitud. Pueden considerarse ejemplos de estos antecedentes del estado de la técnica los documentos D01 a D06 citados en el Informe. Incluso en alguno de estos exoesqueletos se aprecia un diseño característico para resolver la articulación del hombro, anticipándose en alguno de ellos el uso de un mecanismo paralelo para la misma.No obstante, aunque algunos antecedentes guardan similitudes con el exoesqueleto de la solicitud en estudio en cuanto a las funciones y objetivos perseguidos, las soluciones aportadas en los mismos se puede considerar que presentan características diferenciadas con relación al objeto técnico definido en la reivindicación principal de la solicitud.Los documentos D01 a D06 que se citan en el Informe solo muestran el estado general de la técnica y no se consideran de particular relevancia.Cualquiera de esos documentos anticipan exoesqueletos que pueden considerarse similares al exoesqueleto robotizado vestible para un brazo humano que nos ocupa, o muestran una estructura que tiene algún parecido con el mismo, pero en ninguno de ellos se anticipan todas las características que limitan el objeto de protección de la primera reivindicación.Así pues, los documentos citados solo muestran el estado general de la técnica, y no se consideran de particular relevancia. No sería obvio para una persona experta en la materia aplicar las características incluidas en los documentos citados y llegar a la invención como se revela en la reivindicación primera. Por lo tanto, el objeto de esta reivindicación principal cumple los requisitos de novedad y actividad inventiva.Las reivindicaciones dependientes 2 a 21 delimitan características adicionales optativas y como la primera general también cumplen los requisitos con respecto a novedad y actividad inventiva.Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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