ES2993742T3

ES2993742T3 - Wearable assistance devices and methods of operation

Info

Publication number: ES2993742T3
Application number: ES18741272T
Authority: ES
Inventors: Karl Zelik; Matthew Yandell; Dustin Howser; Erik Lamers
Original assignee: Vanderbilt University
Current assignee: Vanderbilt University
Priority date: 2017-01-19
Filing date: 2018-01-19
Publication date: 2025-01-08
Anticipated expiration: 2038-01-19
Also published as: EP3571018A4; WO2018136722A1; US20190358074A1; CA3054158A1; EP4431759A3; EP4431759A2; EP3571018A1; EP3571018B1; US11980563B2

Abstract

Se proporcionan dispositivos de asistencia portátiles y métodos para operar los mismos. Un dispositivo de asistencia portátil incluye una interfaz para la parte superior del cuerpo con un lado frontal y un lado posterior y una interfaz para la parte inferior del cuerpo con un lado frontal y un lado posterior. El dispositivo de asistencia también incluye uno o más elementos elásticos, cada uno de los elementos elásticos acopla mecánicamente la interfaz para la parte superior del cuerpo a la interfaz para la parte inferior del cuerpo y se extiende desde el lado posterior de la interfaz para la parte superior del cuerpo hasta el lado posterior de la interfaz para la parte inferior del cuerpo y a lo largo de la espalda del usuario para proporcionar una fuerza de asistencia paralela a la espalda del usuario. Además, el dispositivo de asistencia también incluye un mecanismo de embrague asociado con cada uno de los elementos elásticos, el mecanismo de embrague configurado para ajustar selectivamente la fuerza de asistencia proporcionada por uno de los elementos elásticos. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivos de asistencia ponibles y métodos de operación

Campo de la invención

La presente invención se refiere a dispositivos ponibles, y más específicamente a dispositivos ponibles para reducir el estrés muscular de la parte lumbar, fatiga, lesión y dolor.

Antecedentes

El dolor lumbar es una afección incapacitante experimentada por un alto porcentaje de adultos durante su vida. Es la causa principal de actividad física limitada y la segunda causa principal de pérdida de trabajo en los Estados Unidos y una carga económica significativa. Se estima que el dolor lumbar cuesta 130-230 mil millones de dólares por año en los Estados Unidos debido a gastos médicos y pérdida de productividad de trabajadores.

El dolor lumbar es particularmente común entre individuos que realizan levantamiento de peso repetido o pesado, debido a la carga elevada en la columna lumbar que los predispone al riesgo de lesiones. Cargas elevadas e incluso moderadas, aplicadas repetidamente a la columna lumbar, pueden aumentar el riesgo de dolor lumbar, debilitar o dañar los cuerpos vertebrales, y provocar degeneración y hernia de disco intervertebral. La inclinación prolongada y otras posturas estáticas también son factores de riesgo potenciales para el dolor lumbar. La compresión y flexión combinadas aplicadas repetidamente a las espinas lumbares humanas cadavéricas a menudo provoca lesiones en el disco intervertebral. De manera similar, la carga elevada y repetitiva de tejidos tales como músculos y ligamentos puede causar deformaciones y daños.

La carga de músculos lumbares, ligamentos, vértebras y discos se produce repetidamente a lo largo del día durante actividades tales como inclinación, elevación e incluso sentarse. La mayor parte de la carga sobre la columna lumbar es el resultado de los músculos de la espalda. Los músculos de la espalda producen grandes fuerzas y actúan en brazos de momento corto alrededor de las articulaciones intervertebrales para equilibrar momentos de la parte superior del cuerpo y de objetos externos. La columna lumbar experimenta un gran momento de flexión durante la inclinación hacia adelante del tronco debido al peso de la parte superior del cuerpo y cualquier carga externa adicional. Para evitar que la parte superior del cuerpo caiga hacia adelante, el momento de flexión debe equilibrarse por un momento de extensión. El momento de extensión es proporcionado por los músculos lumbares posteriores que aplican fuerzas aproximadamente paralelas a la columna vertebral. Esta fuerza compresiva causada por los músculos extensores de la espalda se ejerce sobre la columna vertebral y puede causar daños y dolor.

Los dispositivos de asistencia, tales como robots ponibles, se han diseñado para entornos de trabajo de manipulación de materiales industriales o manuales, pero tienen factores de forma que los hacen demasiado voluminosos y poco prácticos para su uso diario en el hogar o su uso en otros entornos comerciales, sociales o clínicos. Por ejemplo, para maximizar el brazo de momento y, por lo tanto, la ventaja mecánica, algunos de estos dispositivos de asistencia están diseñados con componentes que sobresalen significativamente de la parte lumbar. Para un usuario diario, estas características de diseño pueden ser restrictivas, inhibiendo actividades básicas tales como sentarse, acostarse, subir/bajar escaleras o desplazarse en entornos domésticos o de trabajo típicos. Debido a los diseños voluminosos, también se requiere que los usuarios lleven estos dispositivos de manera visible encima de su ropa.

Los cinturones y aparatos ortopédicos para la espalda disponibles en el mercado tampoco tienen dolor o lesión de espalda reducido. A menudo, estas correas y tirantes operan restringiendo el movimiento de la columna vertebral, e intentan aumentar la presión intraabdominal para reducir las fuerzas sobre la columna vertebral.

Lo que se necesita es un dispositivo de asistencia que pueda descargar pasivamente los músculos lumbares y los discos durante la inclinación y la elevación sin restringir el movimiento de la columna vertebral o aumentar la presión intraabdominal. Además, existe la necesidad de que dicho dispositivo de asistencia sea ligero, discreto y sencillo de poner y quitar. Finalmente, existe la necesidad de un dispositivo de asistencia que proporcione fuerzas reducidas de compresión espinal.

YUMEKO IMAMURA ET AL: “Motion-based design of elastic belts for passive assistative device using musculoskeletal model” ROBOTICS AND BIOMIMETICS (ROBIO), 2011 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON, IEEE, 7 de diciembre de 2011 (2011-12-07), páginas 1343-1348 (XP032165973; DOI: 10.1109/ROBI0.2011.6181475; ISBN: 978 1-4577-2136-6) divulga un dispositivo de asistencia en la parte lumbar que lleva puesto un usuario, que comprende:

una interfaz de cuerpo superior con un lado frontal y un lado posterior;

una interfaz de cuerpo inferior con un lado frontal y un lado posterior;

uno o más elementos elásticos, acoplando cada uno de los elementos elásticos mecánicamente la interfaz de cuerpo superior a la interfaz de cuerpo inferior y extendiéndose desde el lado posterior de la interfaz de cuerpo superior al lado posterior de la interfaz de cuerpo inferior y a lo largo de la espalda del usuario para proporcionar una fuerza de asistencia paralela a la espalda del usuario; y

un mecanismo de ajuste asociado a cada uno de los elementos elásticos.

Se divulgan dispositivos similares de este tipo en los documentos US 2007/004570, US 2005/130815, JP 2013 144858 y JP 2016083254. El documento US 2016/107309 divulga un método para operar un dispositivo de asistencia ponible, pero no se describe un mecanismo de embrague.

Compendio

Según un primer aspecto, se proporciona un dispositivo de asistencia lumbar ponible según la reivindicación 1. Según un aspecto adicional, se proporciona un método para operar un dispositivo de asistencia ponible según la reivindicación 9.

Características adicionales según realizaciones se definen en las reivindicaciones adjuntas.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 muestra las diferentes fuerzas en la espalda al levantar un objeto.

La figura 2 muestra músculos y ligamentos extensores de la parte baja de la espalda, que proporcionan momento alrededor de la columna vertebral durante la inclinación hacia adelante.

La figura 3 ilustra las masas que provocan el momento de flexión alrededor de la columna vertebral durante la inclinación y elevación, y también los músculos lumbares que contrarrestan este momento.

La figura 4A muestra la fuerza de compresión sobre la columna vertebral cuando se eleva un peso.

La figura 4B muestra la fuerza de compresión sobre la columna vertebral cuando se lleva puesto un dispositivo de asistencia según una realización de la presente divulgación.

La figura 5 ilustra la fuerza soportada por una banda elástica que tiene un brazo de momento más grande alrededor de la columna vertebral, con respecto a la fuerza del músculo de un usuario.

La figura 6A es una ilustración en vista en perspectiva lateral de un dispositivo de asistencia ponible a modo de ejemplo según la presente divulgación.

La figura 6B es una vista frontal de un dispositivo de asistencia ponible según una realización de la invención.

La figura 6C es una vista posterior de un dispositivo de asistencia ponible según una realización de la invención. La figura 6D es una vista lateral de un dispositivo de asistencia ponible según una realización de la invención.

La figura 7A muestra una vista en perspectiva lateral de un mecanismo de embrague usado para unir una interfaz de cuerpo inferior y una interfaz de cuerpo superior.

La figura 7B muestra una vista en perspectiva lateral de la carga sobre cada resorte de un mecanismo de embrague mientras el mecanismo de embrague no está acoplado.

La figura 7C muestra una vista en perspectiva lateral de la carga sobre cada resorte de un mecanismo de embrague mientras el mecanismo de embrague está acoplado.

La figura 8 muestra una vista lateral en perspectiva de un mecanismo de leva cargado por resorte para embrague según una realización de la invención.

La figura 9 ilustra el análisis mecánico de cómo un dispositivo de asistencia ponible reduce la tensión en la lumbar. La figura 10A es un gráfico X-Y de la actividad EMG de un usuario cuando se usa un dispositivo de asistencia ponible según una realización de la invención en comparación con cuando no se usa ningún dispositivo de asistencia ponible. La figura 10B es un gráfico X-Y de las fuerzas de compresión en la columna vertebral de un usuario a lo largo del tiempo cuando se usa un dispositivo de asistencia ponible según una realización de la invención en comparación con cuando no se usa ningún dispositivo de asistencia.

La figura 11A es un gráfico X-Y de la actividad de EMG para un usuario cuando se inclina en un ángulo fijo cuando se usa un dispositivo de asistencia ponible según una realización de la invención en comparación con cuando no se usa ningún dispositivo de asistencia.

La figura 11B muestra los efectos de una realización de la invención para diferentes ángulos de inclinación hacia adelante de un usuario.

La figura 11C muestra la menor actividad de EMG mientras se usa un dispositivo de asistencia ponible según una realización de la invención en comparación con no usar ningún dispositivo de asistencia.

La figura 12 muestra la actividad EMG de erector espinal promedio para un individuo durante la elevación de un peso de 12,7 kg (28 lb) frente al tiempo (normalizado a 1000 puntos de datos para representar el ciclo de elevación). Los resultados muestran una actividad reducida de EMG de los músculos lumbares mientras se usa un dispositivo de asistencia ponible (“con exo”) según una realización de la invención en comparación con no usar ningún dispositivo de asistencia (“sin exo”).

La figura 13 muestra la actividad EMG de erector espinal promedio para un individuo durante la elevación de un peso de 24 kg (53 lb) frente al tiempo (normalizado a 1000 puntos de datos para representar el ciclo de elevación). Los resultados muestran una actividad reducida de EMG de los músculos lumbares mientras se usa un dispositivo de asistencia ponible (“con exo”) según una realización de la invención en comparación con no usar ningún dispositivo de asistencia (“sin exo”).

La figura 14A muestra un gráfico X-Y de la actividad de EMG para un primer sujeto cuando se inclina en un ángulo hacia adelante de 45-60 grados cuando se usa un dispositivo de asistencia ponible según una realización de la invención en comparación con cuando no se usa ningún dispositivo de asistencia.

La figura 14B muestra el momento de la columna vertebral de un primer sujeto cuando se inclina en un ángulo hacia adelante de 45-60 grados cuando se usa un dispositivo de asistencia ponible según una realización de la invención en comparación con cuando no se usa ningún dispositivo de asistencia.

La figura 15A muestra un gráfico X-Y de la actividad de EMG para un segundo sujeto cuando se inclina en un ángulo hacia adelante de 45-60 grados cuando se usa un dispositivo de asistencia ponible según una realización de la invención en comparación con cuando no se usa ningún dispositivo de asistencia.

La figura 15B muestra el momento de la columna vertebral de un segundo sujeto cuando se inclina en un ángulo hacia adelante de 45-60 grados cuando se usa un dispositivo de asistencia ponible según una realización de la invención en comparación con cuando no se usa ningún dispositivo de asistencia.

La figura 16A muestra un gráfico X-Y de la actividad de EMG para un primer sujeto cuando se inclina en un ángulo hacia adelante de 90 grados cuando se usa un dispositivo de asistencia ponible según una realización de la invención en comparación con cuando no se usa ningún dispositivo de asistencia.

La figura 16B muestra el momento de la columna vertebral de un primer sujeto cuando se inclina en un ángulo hacia adelante de 90 grados cuando se usa un dispositivo de asistencia ponible según una realización de la invención en comparación con cuando no se usa ningún dispositivo de asistencia.

La figura 17A muestra un gráfico X-Y de la actividad de EMG para un segundo sujeto cuando se inclina en un ángulo hacia adelante de 90 grados cuando se usa un dispositivo de asistencia ponible según una realización de la invención en comparación con cuando no se usa ningún dispositivo de asistencia.

La figura 17B muestra el momento de la columna vertebral de un segundo sujeto cuando se inclina en un ángulo hacia adelante de 90 grados cuando se usa un dispositivo de asistencia ponible según una realización de la invención en comparación con cuando no se usa ningún dispositivo de asistencia.

La figura 18 muestra un gráfico X-Y de EMG erector espinal cuando se usa un dispositivo de asistencia ponible según una realización de la invención en comparación con cuando no se usa ningún dispositivo de asistencia.

La figura 19 muestra un gráfico X-Y de la fuerza de compresión estimada en la columna vertebral de un usuario cuando usa un dispositivo de asistencia ponible según una realización de la invención en comparación con cuando no se usa ningún dispositivo de asistencia.

La figura 20A muestra la diferencia en la actividad EMG promedio cuando se elevan pesos de tamaño diferente cuando se usa un dispositivo de asistencia ponible según una realización de la invención en comparación con cuando no se usa ningún dispositivo de asistencia (N=8).

La figura 20B muestra la diferencia en la actividad EMG pico cuando se elevan pesos de tamaño diferente cuando se usa un dispositivo de asistencia ponible según una realización de la invención en comparación con cuando no se usa ningún dispositivo de asistencia (N=8).

La figura 20C muestra la diferencia en la actividad de EMG promedio cuando se inclina en diferentes ángulos cuando se usa un dispositivo de asistencia ponible según una realización de la invención en comparación con cuando no se usa ningún dispositivo de asistencia (N=8).

La figura 21 muestra una ilustración de una funda multicapa y una cubierta usadas para una interfaz de cuerpo superior e inferior según una realización de la invención.

La figura 22 es una vista en perspectiva lateral y una ilustración en vista en perspectiva trasera del material usado para una interfaz de cuerpo inferior según las diversas realizaciones.

La figura 23 muestra el material de la figura 22 implementado en una interfaz de cuerpo inferior según las diversas realizaciones.

La figura 24 muestra un gráfico X-Y de la fuerza y el desplazamiento durante la prueba mecánico de diferentes materiales para diversas realizaciones.

La figura 25 muestra vistas en perspectiva traseras que ilustran ropa que integra un dispositivo ponible según una realización. En este caso, el embrague puede estar situado en la parte superior o frontal del hombro, para permitir una fácil ajustabilidad de la asistencia.

Descripción detallada

La presente invención se describe con referencia a las figuras adjuntas, en donde se usan números de referencia similares en todas las figuras para designar elementos similares o equivalentes. Las figuras no están dibujadas a escala y se proporcionan simplemente para ilustrar la presente invención. A continuación se describen varios ejemplos de la invención con referencia a aplicaciones de ejemplo para ilustración. Debe entenderse que se exponen numerosos detalles, relaciones y métodos específicos para proporcionar una comprensión completa de la invención. Sin embargo, un experto en la técnica relevante reconocerá fácilmente que la invención puede ponerse en práctica sin uno o más de los detalles específicos o con otros métodos. En otros casos, no se muestran en detalle estructuras u operaciones bien conocidas para evitar enmascarar la invención. La presente invención no está limitada por el ordenamiento ilustrado de acciones o eventos, ya que algunas acciones pueden ocurrir en diferentes órdenes y/o simultáneamente con otras acciones o eventos. Además, no se requieren todos los actos o eventos ilustrados para implementar una metodología según la presente invención.

Las diversas realizaciones se dirigen a dispositivos de asistencia ponibles, tales como un exoesqueleto o una prenda, que pueden ayudar a un usuario con tareas de inclinación y elevación. En particular, tales dispositivos de asistencia pueden proporcionar un momento de extensión lumbar independiente de la parte lumbar del usuario cuando el usuario se inclina hacia adelante. Las bandas elásticas en una realización a modo de ejemplo proporcionan momentos extensores equivalentes a los músculos del usuario con magnitudes de fuerza más pequeñas. Sin embargo, se puede usar cualquier otro tipo de elemento(s) elástico(s), elemento(s) viscoelástico o dispositivos de tipo resorte en lugar de las bandas elásticas, como se analiza con mayor detalle a continuación. Esto da como resultado fuerzas reducidas sobre los músculos lumbares, lo que reduce entonces la carga del disco lumbar. De esta manera, estos dispositivos de asistencia ponibles pueden ayudar a mitigar el sobreuso y la sobrecarga de los músculos erectores espinales (y otros músculos y ligamentos de la espalda) que comúnmente conduce a una lesión y dolor lumbar. En particular, los dispositivos de asistencia ponibles de las diversas realizaciones están configurados para transmitir cargas directamente a las piernas, lo que permite que las fuerzas eviten los músculos de la parte lumbar y los discos intervertebrales.

Los dispositivos de asistencia ponibles según las diversas realizaciones pueden ayudar a levantar, llevar o inclinar tareas, pasar de sentado a de pie o de pie a sentado, y otras formas de locomoción. Además, los dispositivos de asistencia ponibles pueden configurarse para abarcar articulaciones adicionales más allá de la parte lumbar, tal como la rodilla o el cuello, para proporcionar asistencia para tareas específicas.

Los dispositivos de asistencia ponibles según las diversas realizaciones pueden proporcionar asistencia débil o fuerte, correspondiente a un grado de soporte más bajo o un grado de soporte más alto, respectivamente, durante una tarea. En particular, la transición de asistencia débil a fuerte, o viceversa, puede activarse mediante el acoplamiento de un mecanismo de embrague que ajusta la fuerza de cualquier dispositivo que proporcione momentos extensores equivalentes a los músculos del usuario. La cantidad de asistencia (fuerza de asistencia) se puede seleccionar manualmente o se puede activar a partir de las señales recibidas de uno o más sensores ponibles. Tales sensores pueden estar separados o integrados en el dispositivo de asistencia ponible.

La figura 1 muestra un modelo biomecánico simplificado para levantar una caja. El diagrama es útil para demostrar por qué surgen altas fuerzas espinales de los músculos que actúan en los brazos de momentos cortos. En la figura 1, levantar y transportar una caja puede modelarse como un sistema de palanca simple donde el fulcro está ubicado en las vértebras lumbares y el disco. La figura 1 muestra cómo la masa del tronco de una persona y la masa de un peso transportado aplican una fuerza colectiva a la columna vertebral. En este ejemplo, el tronco de una persona contribuye a 400 Newtons (N) mientras que el peso de la caja contribuye a 200 N. Para evitar que el tronco se cabecee hacia adelante debido a la carga transportada, la musculatura de la parte lumbar debe crear un momento de contrarrestar las fuerzas. En el ejemplo de la figura 1, la fuerza muscular necesaria para proporcionar este momento es de 2000 N, que puede calcularse basándose en los brazos de momento representados. La fuerza total de la columna vertebral es entonces la suma de la fuerza muscular requerida, la fuerza del peso de la caja y la fuerza del peso del tronco de la persona. Por lo tanto, la fuerza total de la columna vertebral es de 2600 N, de la que el 75 % se debe a la fuerza muscular.

Los ligamentos espinales tienen brazos de momento más cortos que sus músculos correspondientes, lo que significa que la carga de esos tejidos da como resultado fuerzas espinales más altas. Adicionalmente, la contracción conjunta de los músculos abdominales cuando se mueven también aumenta las cargas de la columna vertebral. En conjunto, la figura 1 demuestra cómo una simple elevación de una caja puede dar como resultado una carga excesiva en la columna vertebral de una persona.

La figura 2 ilustra la compresión que se produce en la columna lumbar como resultado de fuerzas musculares y de tejido pasivo durante la inclinación hacia adelante. La región marcada con A muestra el músculo unido a la columna lumbar que causa compresión durante la inclinación. La región marcada B se refiere al tejido entre vértebras de la columna vertebral que causa pasivamente la compresión. La región marcada C muestra cómo los ligamentos y otros tejidos pasivos actúan a través de un momento pequeño.

La mayoría de la carga sobre la columna lumbar es el resultado de los músculos de la espalda que producen grandes fuerzas y actúan en brazos de momento corto alrededor de las articulaciones intervertebrales para equilibrar los momentos de la parte superior del cuerpo (tal como durante la inclinación) y cualquier objeto externo (tal como durante la elevación). En consecuencia, la columna lumbar experimenta un gran momento de flexión durante la inclinación hacia adelante del tronco debido al peso de la parte superior del cuerpo y cualquier carga externa. Para evitar que la parte superior del cuerpo caiga hacia adelante, el momento de flexión (D en la figura 2) debe ser contrarrestado por un momento de extensión (C en la figura 2). El momento de extensión es proporcionado por los músculos lumbares posteriores (A) y los tejidos pasivos (B). Sin embargo, los tejidos pasivos actúan en un brazo de momento extensor pequeño de aproximadamente 3-7 centímetros (cm) con respecto al centro de los cuerpos vertebrales. Por lo tanto, estos tejidos tienen que experimentar grandes fuerzas para generar el momento de contrapeso requerido. Los tejidos activos y pasivos aplican fuerzas aproximadamente paralelas a la columna vertebral. Cuando se cargan, los tejidos aplican fuerzas compresivas sustanciales a la columna vertebral. La fuerza compresiva causada por los músculos extensores de la espalda constituye la mayoría de la fuerza compresiva experimentada por la columna vertebral durante la inclinación hacia adelante.

La figura 3 es un diagrama anatómico que muestra además en detalle las fuerzas sobre la columna lumbar durante la inclinación o elevación. El músculo (3 capas mostradas en la figura 3) se asienta debajo de la piel y contra la columna lumbar. La fuerza muscular tira hacia abajo sobre la columna vertebral. La fuerza de compresión presiona hacia arriba contra el momento. El peso tira hacia abajo contra la columna vertebral y la persona en el diagrama la ve sujetada. Sin embargo, la fuerza del peso que se eleva es sólo una fuente de la fuerza de compresión sobre la columna vertebral. Se pueden identificar hasta cuatro fuentes adicionales de fuerza compresiva sobre la columna vertebral.

Una primera fuente es la cabeza de la persona cuando se inclina. Esto se muestra en la figura 3 medianteL[Hym[H,dondeL[Hse refiere a la distancia de la columna lumbar al centro de masa de la cabeza de la persona ym [Hse refiere al peso de la cabeza de la persona. Una segunda fuente es el tronco de la persona. Esto se muestra en la figura 3 medianteL [Tym[T,dondeL [ Tse refiere a la distancia del momento de la columna lumbar al centro de masa del tronco de una persona ym [Tse refiere al peso del tronco de una persona. Una tercera fuente son los brazos de la persona. Esto se muestra en la figura 3 medianteL[Aym[A,dondeL[Ase refiere a la distancia del momento de la columna lumbar al centro de masa de los brazos de una persona ym[Ase refiere al peso de los brazos de una persona. La fuente final es el peso que se transporta. Esto se muestra en la figura 3 medianteL [ Wym[W,dondeL [Wse refiere a la distancia entre el momento de la columna lumbar y el centro de masa de una carga transportada ym [Wse refiere al peso de una carga transportada.

Como se ha descrito anteriormente, el músculo de la parte lumbar de una persona debe proporcionar un momento de contrapeso al momento de una carga transportada. La distancia entre el músculo de la parte lumbar y el momento de la columna lumbar está representada porL[M.El momento muscular de contrapeso debe igualar el producto cruzado de las fuerzas compresivas(F[M)y la distancia desde el momento de la columna lumbar al centro de masa para la persona y la carga transportada(L[M).Así, comoL [Msería extremadamente pequeño comparado con las distanciasL[H, L[T, L[A,yL[W,la cantidad de fuerza muscular de contrapeso es significativa, y la cantidad de compresión en la columna es también significativa.

En vista de lo anterior, un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones está configurado para permitir que un usuario reduzca selectivamente las fuerzas musculares de contrapeso necesarias. En consecuencia, se espera que la cantidad de compresión espinal se reduzca también. Esto se ilustra a continuación con respecto a las figuras 4<a>y 4B.

Las figuras 4A y 4B muestran, respectivamente, diagramas de la fuerza compresiva que empuja contra una columna lumbar sin asistencia de fuerza muscular para la parte lumbary con asistencia de fuerza muscular para la parte lumbar. La figura 4A muestra que sin ninguna ayuda, la fuerza muscular ejerce toda su fuerza en un momento muy próximo a la columna lumbar, similar al escenario descrito anteriormente con respecto a la figura 1. Por lo tanto, se genera una fuerza de compresión elevada sobre la columna vertebral para contrarrestar las fuerzas musculares. Sin embargo, cuando se proporciona asistencia a la fuerza muscular para la parte lumbar en paralelo con las fuerzas musculares normales, se obtiene un resultado más favorable. Esto se ilustra en la figura 4B. Es decir, al proporcionar un dispositivo ponible que proporcione distancia entre la columna lumbar y la fuerza que empuja hacia abajo, el músculo necesita generar menos fuerza para la tarea de elevación, con el fin de lograr un momento equivalente alrededor de la columna.

En consecuencia, se genera una menor fuerza de compresión sobre la columna debido a estas menores fuerzas musculares.

La figura 5 muestra cómo la aplicación de una fuerza de asistencia externa paralela a la musculatura de la parte lumbar y al tejido conjuntivo puede proporcionar un momento de extensión de asistencia. Tal fuerza de asistencia externa reduce las fuerzas musculares y del disco espinal aumentando de manera efectiva el brazo del momento extensor alrededor de las vértebras/discos. Es decir, la fuerza de asistencia se proporciona fuera del cuerpo. La fuerza de asistencia proporciona un brazo de momento de extensión mayor en comparación con el de las fuerzas musculares. La fuerza de asistencia proporciona efectivamente un momento equivalente con una fuerza menor que reduce la fuerza de compresión espinal resultante. En la figura 5, Ar representa la distancia añadida al brazo de momento desde una banda elástica o elemento mecánico similar, según una realización de la presente divulgación. La banda elástica mostrada en la figura 5 se estira durante la actividad de inclinación y elevación del usuario para descargar extensores lumbares. Sin embargo, la fuerza restauradora de la banda elástica suministra una fuerza de asistencia con el mayor momento de extensión.

Las diversas realizaciones aprovechan los conceptos anteriores para proporcionar un dispositivo de asistencia ponible que reduce las fuerzas musculares y del disco espinal aumentando eficazmente el brazo del momento extensor alrededor de las vértebras/discos. Además, las diversas realizaciones permiten que la persona que usa el dispositivo de asistencia ponible ajuste selectivamente la cantidad de asistencia (es decir, la cantidad de fuerza de asistencia) necesaria al acoplar y desacoplar al menos un elemento elástico. De esta manera, durante una tarea de elevación o inclinación, el dispositivo puede ajustarse para proporcionar una asistencia fuerte pero permanece cómodo para tareas de no elevación o de no inclinación. En particular, al proporcionar una asistencia débil o nula, el dispositivo es flexible y permite un movimiento más libre por parte del usuario para tareas diarias. Una configuración a modo de ejemplo de tal dispositivo de asistencia ponible se muestra en las figuras 6A-6C.

Las figuras 6A-6C muestran un dispositivo 600 de asistencia ponible a modo de ejemplo según las diversas realizaciones. La figura 6A muestra una vista lateral del dispositivo 600 de asistencia ponible. La figura 6B muestra una vista frontal del dispositivo 600 de asistencia ponible. La figura 6C muestra una vista posterior del dispositivo de asistencia ponible. El dispositivo 600 de asistencia ponible incluye una interfaz 602 de cuerpo superior, una interfaz 604 de cuerpo inferior, uno o más elementos 606 elásticos y un embrague 608. El dispositivo 600 de asistencia ponible puede incluir opcionalmente un procesador 610. Cada uno de estos componentes se comentará con mayor detalle más adelante.

La interfaz 602 de cuerpo superior puede ser una prenda configurada como un chaleco que puede ponerse y retirarse por un usuario. Por ejemplo, la interfaz puede ponerse y retirarse mediante el uso de una cremallera, botones, cierres a presión, correas o cualquier otro tipo de elementos de sujeción para prendas de vestir. En la configuración ilustrada en las figuras 6A-6C, la interfaz de cuerpo superior está configurada como un chaleco que contiene orificios para los brazos y la cabeza del usuario mientras se extiende aproximadamente a medio camino hacia abajo sobre el torso del usuario. El chaleco está configurado para soportar el peso de una carga soportada por el usuario y para distribuir la fuerza sobre los hombros, la espalda y el pecho del usuario. Se dirige una carga adicional a través de los elementos 606 elásticos hacia abajo hasta la interfaz 604 de cuerpo inferior.

La interfaz 604 de cuerpo inferior también puede ser una prenda que puede ponerse y quitarse por el usuario. En la configuración de las figuras 6A-6C, la interfaz 604 de cuerpo inferior está configurada como un par de pantalones cortos que pueden ponerse y quitarse por el usuario. El par de pantalones cortos cubre la mayoría de los muslos del usuario y distribuye la presión sobre el área superficial de los pantalones cortos. En algunas realizaciones, los pantalones cortos pueden estar hechos de un material elástico que se adapta y conforma a los muslos del usuario, asegurando así un buen ajuste. En algunas implementaciones, se pueden proporcionar correas, cordones u otros elementos de sujeción en los pantalones cortos para garantizar que los pantalones cortos no se extienden por los muslos del usuario cuando el dispositivo 600 de asistencia ponible está en uso. Por ejemplo, como se muestra en la figura 6B, la interfaz de cuerpo inferior incluye un mecanismo 612 de fijación para cada muslo.

La figura 6D muestra cómo las fuerzas aplicadas se distribuyen a través de las interfaces 602, 604 de cuerpo superior y de cuerpo inferior cuando un usuario se pone el dispositivo 600 de asistencia ponible. Como se muestra mediante las flechas 650 y 652 en la figura 6D, la interfaz de cuerpo superior está configurada para distribuir fuerzas no solo a lo largo de la espalda del usuario, sino también a lo largo de los lados del torso del usuario. Por lo tanto, las fuerzas no se distribuyen únicamente a lo largo de la espalda del usuario cuando realiza tareas. Estas fuerzas se transfieren entonces a la interfaz de cuerpo inferior, como se muestra por la flecha 654. La figura 10A también muestra cómo las interfaces de muslo están diseñadas con un estrechamiento 656 que evita que las interfaces se deslicen hacia arriba del muslo durante el uso. Este estrechamiento se adapta a la forma cónica típica del muslo.

Como se ha indicado anteriormente, la interfaz 602 de cuerpo superior y la interfaz 604 de cuerpo inferior están conectadas a través de uno o más elementos 606 elásticos para permitir que las fuerzas se transfieran desde la interfaz 602 de cuerpo superior a la interfaz 604 de cuerpo inferior. Por ejemplo, como se muestra en las figuras 6A-6C, dos elementos 606 elásticos están configurados para acoplar el chaleco que define la interfaz 602 de cuerpo superior y los pantalones cortos que definen la interfaz 604 de cuerpo inferior extendiéndose desde la parte posterior del chaleco hasta la parte posterior del par de pantalones cortos en paralelo con la parte posterior del usuario.

El elemento 606 elástico mostrado consiste en una primera parte 606A elástica conectada a una segunda parte 606B elástica. En algunas realizaciones, el elemento elástico también puede incluir una parte 606C intermedia que conecta las partes 606A y 606B, como se muestra en la figura 6C. En tales realizaciones, la parte intermedia puede construirse a partir de materiales que pueden someterse repetidamente a presión desde el embrague 608. Por ejemplo, en algunas realizaciones, las partes 606A y 606B pueden construirse a partir de materiales elásticos (por ejemplo, caucho, plástico o similares) y la parte 606C intermedia puede construirse a partir de cinchas o tejidos de nylon o a partir de cualquier otro tipo de telas o cinchas duraderas. Sin embargo, en otras realizaciones, puede no proporcionarse ninguna parte intermedia. Alternativamente, el elemento 606 elástico puede incluir partes adicionales, incluyendo partes elásticas y no elásticas. Por ejemplo, se pueden proporcionar partes adicionales para conectar las partes 606A y 606B a la interfaz 602 de cuerpo superior y la interfaz 604 de cuerpo inferior, respectivamente.

Como se muestra en las figuras 6A-6C, la realización a modo de ejemplo del dispositivo 600 de asistencia ponible incluye un par de elementos 606 elásticos y embragues 608 respectivos. Como se muestra en la figura 6C, estos se proporcionan en una disposición superpuesta. Tal disposición reduce la probabilidad de que los elementos elásticos se enreden. Sin embargo, las diversas realizaciones no se limitan a ningún número particular de disposición de elementos elásticos y embragues.

En las diversas realizaciones, la primera parte 606A elástica está configurada para tener una rigidez baja y la segunda parte 606B elástica está configurada para tener una rigidez alta. Estas partes 606A y 606B elásticas están conectadas en serie. El elemento 606 elástico está, a su vez, configurado para pasar a través del embrague 608 para permitir que el embrague 608 ajuste selectivamente una rigidez del resorte resultante entre la interfaz 602 de cuerpo superior y la interfaz 604 de cuerpo inferior. Por lo tanto, también se ajusta la cantidad de fuerza de asistencia proporcionada por el elemento 606 elástico. Esto se ilustra esquemáticamente con respecto a las figuras 7A-7C.

Un mecanismo de embrague está integrado en el dispositivo de asistencia ponible de modo que el usuario puede acoplar y desacoplar selectivamente la asistencia elástica. Los usuarios no están realizando típicamente tareas de inclinación o elevación el 100% del tiempo, por lo que un embrague permite a los usuarios “apagar” la asistencia elástica cuando no se necesita. Por ejemplo, un usuario normalmente no necesita asistencia elástica cuando camina o al sentarse. En tales escenarios, el usuario puede “activar” la asistencia elástica cuando es necesario sin la necesidad de encender o apagar todo el dispositivo.

Las figuras 7A-7C muestran la configuración y funcionamiento del mecanismo de embrague según las diversas realizaciones. En las diversas realizaciones, el embrague puede ser un mecanismo electromecánico o mecánico configurado para operar con un elemento elástico, tal como el elemento 606 elástico en las figuras 6A-6C, para ajustar selectivamente la cantidad de asistencia que va a proporcionarse.

La figura 7A ilustra esquemáticamente la disposición y el funcionamiento del mecanismo de embrague y el elemento elástico según una realización. Como se muestra en la figura 7A, un elemento elástico con dos partes elásticas (tal como la que se ha analizado anteriormente con respecto a las figuras 6A-6C) pueden modelarse como una disposición en serie de dos resortes para proporcionar fuerzas en paralelo con la parte lumbar durante las actividades de inclinación o elevación. Como se ha analizado anteriormente con respecto a las figuras 6A-6C, un resorte (denominado K1 en la figura 7A) puede conectarse al tronco de la persona (a través de una interfaz de cuerpo superior). Un segundo resorte (denominado K2 en la figura 7A) puede ser relativamente más rígido o más fuerte que el primer resorte y puede conectarse al muslo de la persona (a través de una interfaz de cuerpo inferior). Para K1 y K2, la fuerza de asistencia de cada uno de los resortes será esencialmente la cantidad de fuerza restauradora generada por cada uno de estos resortes cuando se estiren o deformen de otro modo. Por tanto, cuanto mayor es la rigidez, mayor es la fuerza restauradora y, por tanto, mayor es la fuerza de asistencia.

Cuando no se necesita asistencia, el embrague puede desacoplarse. En tal configuración, el elemento elástico que conecta la interfaz de cuerpo superior a la interfaz de cuerpo inferior (es decir, la combinación en serie de K1 y K2) puede deslizarse libremente a través del alojamiento de embrague. Por lo tanto, el resorte más débil (K1) se deforma primero en respuesta a la inclinación o elevación. Esto se ilustra en la figura 7B mediante el estiramiento de K1. Sin embargo, puesto que K1 tiene una menor rigidez y K2 no se deforma, la fuerza restauradora total será relativamente baja. Como resultado, se proporciona poca o ninguna fuerza de asistencia cuando se inclina o eleva con el embrague desacoplado. Por lo tanto, un embrague desacoplado permite que un usuario se mueva, se doble y se incline con una resistencia despreciable a sus movimientos.

Aunque el resorte K1 débil se estira a medida que el usuario se inclina hacia adelante y aplica una resistencia mínima al movimiento, el resorte K1 débil puede configurarse para proporcionar suficiente fuerza restauradora para mantener el elemento elástico tenso. Esto puede ayudar a asegurar que la interfaz de cuerpo superior, la interfaz de cuerpo inferior y el embrague no caigan o sobresalgan de la espalda del usuario.

Cuando se necesita asistencia, el embrague puede acoplarse de manera que la trayectoria de carga entre la interfaz de cuerpo superior y la interfaz de cuerpo inferior pase solo a través del resorte K2 rígido y no a través del resorte K1. En tal configuración, el elemento elástico que conecta la interfaz de cuerpo superior a la interfaz de cuerpo inferior (es decir, la combinación en serie de K1 y K2) ya no puede deslizarse libremente a través del alojamiento de embrague. Por lo tanto, el resorte K2 más rígido se fija al embrague cuando el embrague está acoplado. Esto fuerza al resorte K2 rígido a estirarse a medida que el usuario se inclina hacia adelante. En esta configuración, debido a que el resorte K2 rígido actúa en paralelo con los músculos de la parte lumbar y su mayor rigidez da como resultado una mayor fuerza restauradora, se proporciona una fuerza de asistencia y reduce el esfuerzo muscular durante la inclinación.

En algunas implementaciones, la rigidez de K1 y K2 pueden invertirse. Por lo tanto, para proporcionar la misma funcionalidad que se ha descrito anteriormente, la ubicación del mecanismo de embrague puede cambiarse de modo que cuando el mecanismo de embrague está acoplado, el resorte K1 más rígido, proporciona fuerza de asistencia. Por ejemplo, el mecanismo de embrague puede estar situado en la interfaz de cuerpo inferior en lugar de la interfaz de cuerpo superior.

En otras implementaciones más, la disposición del elemento elástico puede configurarse para proporcionar soporte cuando el embrague se desacopla en lugar de cuando el embrague se acopla. En tal configuración, las rigideces de K1 y K2 se invierten. Así, cuando el embrague está acoplado, solamente se usa el muelle de menor rigidez y se proporciona poca asistencia. Cuando el embrague está desacoplado, la rigidez combinada es mayor, proporcionando cierta asistencia.

En algunas realizaciones, el dispositivo de asistencia ponible puede tener múltiples niveles de asistencia. Por ejemplo, el elemento elástico puede definirse usando dos o más elementos elásticos que están configurados en paralelo. Alternativamente, cualquier parte del elemento elástico puede consistir en dos o más partes elásticas que están configuradas en paralelo. En tales configuraciones, el mecanismo de embrague puede configurarse para acoplar todos los elementos (o partes) elásticos en paralelo para obtener una rigidez mayor, o solo algún subconjunto de estos para obtener una rigidez intermedia. De esta manera, el mecanismo de embrague puede soportar niveles variables de asistencia de resorte para diferentes tareas.

Como se ha indicado anteriormente, la ayuda de acoplamiento o desacoplamiento puede ser activada manualmente. Por ejemplo, en algunas realizaciones, el usuario puede activar un acelerómetro, sensor táctil, un botón u otro mecanismo de control en un dispositivo de asistencia ponible. Alternativa o adicionalmente, la asistencia también puede activarse activando un control en el teléfono inteligente, el reloj inteligente u otro dispositivo informático del usuario acoplado comunicativamente al procesador.

Adicional o alternativamente, los sensores de electromiografía (EMG) pueden integrarse en el dispositivo de asistencia ponible junto con un algoritmo automatizado que identifica cuándo acoplar o desacoplar la asistencia basándose en datos de sensor. Sin embargo, en algunas realizaciones, se puede usar un sensor externo. Por ejemplo, con referencia de nuevo a la figura 6A, un sensor 614 de EMG puede colocarse en el cuerpo del usuario. El sensor 614 de EMG puede estar acoplado comunicativamente con el procesador 610. El procesador 610 puede entonces, en base a un algoritmo automatizado, determinar si se requiere asistencia para las actividades actuales de un usuario. Por ejemplo, cuando se utiliza control de EMG, el procesador 610 puede identificar cuándo un usuario podría desear asistencia activa en lugar de asistencia pasiva en base a la señal de EMG recibida del control. El control EMG puede transmitir datos sobre las señales EMG del usuario al procesador. El procesador puede acoplar o desacoplar el embrague basándose en la señal EMG del usuario. Una señal EMG ascendente o más elevada indica que el embrague deberá estar acoplado mientras que una señal EMG descendente o más baja indica que el embrague puede estar desacoplado.

Además, o como alternativa a las señales EMG, se pueden usar otros datos dinámicos corporales en las diversas realizaciones. Por ejemplo, se pueden utilizar sensores de fuerza o presión en el cuerpo del usuario para generar señales que indiquen cuándo se requiere asistencia. De este modo, los sensores de presión o de fuerza pueden ser activados durante ciertos tipos de actividades que requieran asistencia y las señales correspondientes pueden ser utilizadas para acoplar el embrague.

El propio mecanismo de embrague puede implementarse de diversas maneras. Una configuración según las diversas realizaciones se ilustra en la figura 8. En particular, la figura 8 muestra una vista en perspectiva lateral de un mecanismo 800 de embrague que incluye una leva 810 de fricción y una base 820. El mecanismo 800 de embrague puede estar unido a la interfaz 830 de cuerpo superior y una parte del elemento 840 elástico se alimenta entre la leva 810 de fricción y la base 820. El elemento 840 elástico puede estar unido a la interfaz 830 de cuerpo superior en un extremo y a la interfaz 850 de cuerpo inferior en el otro extremo.

Como se muestra en la figura 8, la leva 810 de fricción y la base 820 están conectadas a través de una junta 805 de bisagra de rotación. Cuando la leva 810 de fricción se desacopla, se gira hacia arriba de manera que la leva 810 de fricción pierde contacto con la parte del elemento 840 elástico. Como resultado, el elemento 840 elástico puede deslizar entonces libremente a través del mecanismo 800 de embrague. En consecuencia, se transfieren fuerzas entre la interfaz 830 de cuerpo superior y la interfaz 850 de cuerpo inferior a lo largo de la totalidad del elemento 840 elástico. Por lo tanto, como se ha analizado anteriormente con respecto a la figura 7B, se proporciona poca o ninguna asistencia.

Cuando la leva 810 de fricción está acoplada, entra en contacto con la parte del elemento 840 elástico que se alimenta a través de la leva 810 de fricción y esta parte se hace inmóvil. En consecuencia, cuando la leva 810 de fricción está acoplada, la leva 810 de fricción y la base 820 hacen que las fuerzas de la interfaz 830 de cuerpo superior se transfieran solo a lo largo de una parte 840A inferior del elemento elástico. Por lo tanto, como se ha analizado anteriormente con respecto a la figura 7C, se proporciona asistencia.

Para operar un mecanismo de embrague en las diversas realizaciones, puede proporcionarse un accionador. Un accionador de este tipo puede implementarse de diversas maneras. En una realización a modo de ejemplo, el accionador puede ser un pequeño servomotor eléctrico y una batería situados en un bolsillo delantero de la interfaz de cuerpo superior. Un cable Bowden puede ser enlazado desde el bolsillo frontal, sobre el hombro hasta la parte media posterior del usuario, donde se ubica una leva de fricción. Cuando se acciona el motor, el cable Bowden transmite el movimiento del motor en movimiento a lo largo del cable, lo que hace que el embrague se acople o se desacople. En otras realizaciones, el cable Bowden podría ir alternativamente entre el embrague y un accionador en cualquier otro método. Alternativamente, el accionador puede estar dispuesto en cualquier otro lugar del dispositivo de asistencia ponible, además de en un bolsillo delantero de la interfaz de cuerpo superior. Sin embargo, el accionamiento del mecanismo de embrague no se limita a cables Bowden. En su lugar, en las diversas realizaciones puede usarse cualquier mecanismo para acoplar o desacoplar un mecanismo de embrague.

La figura 9 es un diagrama anatómico que ilustra la reducción de las fuerzas de compresión cuando se usa un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones. Cuando se utiliza un dispositivo de asistencia, tanto el dispositivo de asistencia como los músculos de la parte lumbar contribuyen a una fuerza hacia abajo contra la columna lumbar. La fuerza de compresión debe ser igual a la suma de la fuerza muscular y la fuerza del dispositivo de asistencia. Esto puede contrastarse con la figura 3, en donde la fuerza muscular tenía que responder completamente a la fuerza compresiva. Con referencia de nuevo a la figura 9, el momento muscular de contrapeso es igual al producto transversal de las fuerzas de compresión(F[M)y la distancia desde el momento de la columna lumbar al centro de masa para la persona y la carga transportada (LjM). El momento del dispositivo de asistencia equivale al producto transversal de las fuerzas de compresión del dispositivo de asistencia y la distancia desde el dispositivo de asistencia al centro de masa de la persona. Si el momento de extensión de la lumbar se proporcionase completamente por el músculo, entonces la fuerza de compresión resultante en el disco espinal sería mayor que si el momento fuera resultado en parte o en su totalidad del dispositivo de asistencia ponible. Esta es una consecuencia mecánica del resorte proporcionado por el dispositivo de asistencia que tiene un brazo de momento más grande alrededor de la columna lumbar que los músculos.

Resultados con dispositivo de asistencia ponible

La figura 10A y la figura 10B muestran cómo un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones reduce el esfuerzo muscular y la compresión espinal. La figura 10A mide la actividad EMG de un usuario mientras el usuario está usando un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones (“con exo”) en comparación con cuando el usuario no está usando dicho dispositivo (“sin exo”). Como se ve en la figura 10A, la actividad de EMG del usuario es menor con un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones. Esto muestra que el usuario tiene un esfuerzo muscular reducido cuando lleva puesto el dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones en lugar de sin él.

La figura 10B estima la fuerza compresiva que actúa sobre las vértebras S1 y L5 en la columna vertebral del usuario. Como se muestra en el gráfico XY, las fuerzas compresivas que actúan sobre las vértebras S1 y L5 se estima que son menores con el dispositivo de asistencia ponible (“con exo”) en lugar de sin él (“sin exo”). Esto muestra que el usuario tiene una compresión espinal reducida cuando lleva puesto un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones en lugar de sin él.

La figura 11A muestra los efectos con un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones (“con”) y sin dicho dispositivo (“sin”) durante las tareas de inclinación y elevación, redujo la actividad EMG en las espinas erectas. La actividad media de EMG se recogió de la prueba de siete sujetos sanos que realizan tareas de inclinación y elevación con y sin un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones. Los sujetos se inclinaron hacia adelante en ángulos predeterminados mientras se mantenía un peso de 4,5 kilogramos (kg) en su esternón. La actividad EMG media se calculó promediando la EMG erecta izquierda y derecha y calculando una señal promediada de series de tiempo a lo largo de los 2o segundos medios de la prueba en donde los sujetos se inclinaron estáticamente.

La actividad media de EMG a través de los participantes se redujo en un 15% ± 19% cuando se inclinaban en un ángulo de 30 grados, se redujo en un 27% ± 10% cuando se inclinaban en un ángulo de 60 grados, y se redujo en un 43% ± 33% cuando se inclinaban en un ángulo de 90 grados. Estas reducciones de EMG sugieren que el dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones redujo las fuerzas musculares lumbares. Debido a que las fuerzas musculares lumbares constituyen la mayoría de las fuerzas compresivas sobre la columna lumbar, un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones también debe reducir la carga muscular lumbar y discal. Esta reducción en la carga debería ayudar a mitigar el uso excesivo y/o los riesgos de sobrecarga que pueden conducir a lesiones en la parte lumbar y dolor.

La figura 11B muestra la cantidad de soporte provisto de un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones (“con exo”) y sin dicho dispositivo (“sin exo”). Los gráficos de ángulo de tronco (fila i) muestran a qué ángulo está inclinando el usuario cuando se mide cada conjunto de datos. Los gráficos de fuerza exo (fila ii) muestran la cantidad de fuerza que proporciona un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones cuando se inclina en diversos ángulos. Los gráficos de actividad de EMG (fila iii) muestran que el usuario tiene una mayor actividad de EMG cuando no lleva puesto el dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones. Los gráficos de fuerza de columna en (fila iv) muestran que en los tres ángulos de inclinación medidos de 30 grados, 60 grados y 90 grados, se estimó que el usuario incurría en una mayor fuerza de columna cuando no llevaba un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones.

La figura 11C muestra la actividad de EMG para inclinarse a 30 grados, 60 grados y 90 grados con un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones (“con exo”) y sin dicho dispositivo (“Sin Exo”). La actividad de EMG se recogió de la prueba de siete sujetos sanos que realizan tareas de inclinación y elevación con y sin un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones. Los sujetos se inclinaron hacia adelante en ángulos predeterminados mientras se mantenían un peso de 4,5 kg a su esternón. El gráfico muestra la efectividad de un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones porque en cada ángulo de inclinación, los usuarios tienen una actividad de EMG menor cuando llevan puesto el dispositivo de asistencia ponible.

La figura 14A mide la actividad de EMG para un usuario particular, el Sujeto 1, en una tarea de inclinación estática de un ángulo entre 45 y 60 grados. El sujeto 1 tiene un porcentaje de envolvente de EMG inferior con una media de 0,16239 cuando lleva puesto un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones (“con exo”). Sin un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones (“sin exo”), el mismo usuario tiene un porcentaje de envolvente de EMG con una media de 0,28213. Esta discrepancia muestra que el usuario ejerce menos esfuerzo cuando lleva puesto un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones.

La figura 14B muestra el momento para las vértebras L5 y S1 durante la misma tarea de inclinación. Este gráfico muestra que un usuario con un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones (“con exo”) tiene un momento mayor que sin un dispositivo de asistencia ponible (“sin exo”). Esto muestra la efectividad de un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones porque un momento más alto significa que el usuario tiene que ejercer menos fuerza cuando se inclina.

La figura 15A muestra la envolvente porcentual de EMG para un segundo sujeto en una tarea de inclinación estática de entre 45 y 60 grados. El sujeto 2 tiene un porcentaje de envolvente de EMG inferior con una media de 0,17585 cuando usa un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones (“con exo”). Sin el dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones, el mismo usuario tiene un promedio de porcentaje de envolvente de EMG de 0,27304 (“sin exo”). Esta discrepancia muestra que el usuario ejerce menos esfuerzo cuando lleva puesto el dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones.

La figura 15B muestra el momento para las vértebras L5 y S1 del sujeto 2 durante la misma tarea de inclinación. Este gráfico muestra que un usuario con un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones (“con exo”) tiene un momento mayor que sin un dispositivo de asistencia ponible (“sin exo”). Esto muestra la efectividad del dispositivo de asistencia ponible porque un momento más alto significa que el usuario tiene que ejercer menos fuerza cuando se inclina.

La figura 16A muestra la envolvente porcentual de EMG para un primer sujeto en una tarea de inclinación estática de 90 grados. El sujeto 1 tiene un porcentaje de envolvente de EMG inferior con una media de 0,15157 cuando lleva puesto un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones (“con exo”). Sin el dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones, el mismo usuario tiene un promedio de porcentaje de envolvente de EMG de 0,35147 (“sin exo”). Esta discrepancia muestra que el usuario ejerce menos esfuerzo cuando lleva puesto el dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones.

La figura 16B muestra el momento para las vértebras L5 y S1 del sujeto 1 durante la misma tarea de inclinación. Este gráfico muestra que un usuario con un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones (“con exo”) tiene un momento mayor que sin un dispositivo de asistencia ponible (“sin exo”). Esto muestra la efectividad del dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones porque un momento más alto significa que el usuario tiene que ejercer menos fuerza cuando se inclina.

La figura 17A muestra la envolvente porcentual de EMG para un segundo sujeto en una tarea de inclinación estática de 90 grados. El sujeto 2 tiene un porcentaje de EMG inferior con una media de 0,20274 cuando lleva puesto un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones (“con exo”). Sin el dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones, el mismo usuario tiene un porcentaje de envolvente de EMG a 0,31649 (“sin exo”). Esta discrepancia muestra que el usuario ejerce menos esfuerzo cuando lleva puesto el dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones.

La figura 17B muestra el momento para las vértebras L5 y S1 del sujeto 2 durante la misma tarea de inclinación. Este gráfico tiene momentos casi idénticos independientemente de si el sujeto 2 está llevando puesto un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones (“con exo”) o no (“sin exo”). Aunque esto puede parecer no concluyente en cuanto al efecto sobre el usuario, la figura 17A muestra que aunque el sujeto 2 tiene momentos similares, el sujeto 2 todavía ejerce un esfuerzo menor cuando usa un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones.

La figura 18 muestra la actividad EMG de los músculos erectores espinales de la parte lumbar durante la actividad de levantamiento promediada sobre los datos recogidos de ocho sujetos sanos con y sin un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones. Las pruebas de elevación se analizaron en ciclos, donde un ciclo comienza con el sujeto en posición vertical. El ciclo es del 50% cuando el sujeto está en la parte inferior de la elevación, y del 100% cuando el sujeto está de pie nuevamente. Se calcularon las duraciones medias del ciclo de elevación para asegurar que las duraciones del ciclo permanecieron constantes para diferentes pesos.

La figura 18 también muestra que cuando un usuario tiene un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones, la actividad EMG de los músculos erectores espinales es menor durante periodos de alta actividad que cuando el usuario no tiene un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones. Esto sugiere que el dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones tiene éxito en la reducción de la tensión al reducir los músculos de la parte lumbar.

La figura 19 muestra la fuerza de compresión en kilonewtons (kN) durante un ciclo de elevación. Esto se estimó con un modelo de columna vertebral simple y pruebas t emparejadas para comparar la carga de disco con o sin dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones. La figura 19 muestra cómo un usuario con un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones tiene una fuerza de compresión menor durante la mayoría del ciclo de elevación que la que tendría un usuario sin tal dispositivo de asistencia ponible.

Las figuras 20A y 20B muestran el análisis de la actividad de EMG media y máxima, respectivamente, para diferentes tareas de elevación para comparar la actividad con un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones frente a la actividad sin un dispositivo de asistencia ponible. La figura 20<c>muestra el análisis de la actividad media de EMG para diferentes tareas de inclinación para comparar la actividad con un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones frente a la actividad sin un dispositivo de asistencia ponible. Estos datos se recogieron de ocho sujetos sanos mientras llevaban puesto y no llevaban un dispositivo de asistencia llevable según las diversas realizaciones. Mediante todas las mediciones, ya sea tareas de elevación de diferentes pesos o tareas de inclinación de diferentes ángulos, el usuario tiene una actividad de EMG menor cuando lleva puesto un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones. Esto proporciona un soporte amplio para el uso de un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones para reducir la fatiga en la parte lumbar.

Realizaciones adicionales - interfaz de cuerpo inferior

En las diversas realizaciones, se puede usar una amplia variedad de materiales para formar las interfaces corporales superior e inferior del dispositivo asistente ponible analizado anteriormente. Los exoesqueletos convencionales están hechos de materiales rígidos exteriores duros y voluminosos. Además, muchos exoesqueletos convencionales se adhieren a la persona a través de correas o interfaces de plástico duro. Esto puede causar moretones o daños en el tejido blando en el área del cuerpo bajo las correas. Esto es especialmente cierto para la interfaz de cuerpo inferior.

En vista de tales limitaciones, en algunas realizaciones, las fundas que definen la interfaz de cuerpo inferior pueden estar hechas de elastómero termoplástico o silicona y pueden estar diseñadas a medida para ajustarse al tipo de cuerpo exacto del usuario. La funda también podría estar hecha de un material estirable para adaptarse a usuarios de diferentes tamaños. En la parte superior de la funda puede haber una cubierta de tela semirrígida o no rígida. La cubierta se fija a otros componentes del dispositivo de asistencia ponible mientras que la funda funciona principalmente para proteger la piel del usuario y ayudar a distribuir la presión de manera uniforme. Una configuración de este tipo se ilustra en la figura 21.

En algunas realizaciones, como se ilustra en la figura 22, la funda del dispositivo de asistencia ponible puede ser una funda de elastómero termoplástico/silicona con una cubierta de tela compresiva. La cubierta de tela compresiva puede tener un estiramiento unidireccional o puede tener partes selectivamente rígidas que están configuradas para distribuir el peso uniformemente. La figura 22 ilustra el dispositivo de asistencia ponible con la interfaz 602 de cuerpo superior, la interfaz 604 de cuerpo inferior, el uno o más elementos 606 elásticos que tienen cada uno una primera parte 606A y una segunda parte 606B, y un embrague 608.

La figura 23 muestra cómo se configuran la funda de elastómero termoplástico/silicona y la cubierta de tejido compresiva. La funda se adapta alrededor del segmento de extremidad y agarra la piel para evitar que la funda se deslice a una configuración diferente en la extremidad. En este ejemplo, la funda agarra las piernas del usuario. Una cubierta de tela se fija en la parte superior de la funda y puede fijarse a la funda mediante velcro u otros medios. Las bandas elásticas pueden unirse a la cubierta de tela. La fuerza externa de las bandas exoelásticas puede aplicarse entonces a la cubierta exterior. La combinación de la cubierta de tela y la funda de elastómero termoplástico/silicona permite que la fuerza de las bandas elásticas se distribuya sobre el área superficial de la piel de manera que se puedan aplicar grandes fuerzas sin que la funda se deslice desde la extremidad.

La figura 24 muestra cuántas configuraciones de desplazamiento diferentes de una interfaz de cuerpo inferior proporcionan dependiendo de la fuerza aplicada. Con solo una correa o cubierta estándar sin la funda y la cubierta como se describe en la figura 21 a la figura 23, la interfaz se moverá demasiado para ser operable y fallar efectivamente a aproximadamente 300 N. Esto se muestra mediante la curva 2402 en la figura 24. Una exointerfaz con la cubierta/revestimiento solo puede soportar fuerzas mucho mayores que la correa/cubierta estándar, como se muestra por la curva 2404. Una exointerfaz con un revestimiento y un adhesivo para la piel, tal como la funda de termoplástico de elastómero/silicona descrita anteriormente, puede soportar la fuerza con incluso menos desplazamiento que la exointerfaz con un solo revestimiento, como se muestra por la curva 2406. Por lo tanto, la figura 24 muestra que un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones puede configurarse para poder soportar cargas más del doble de pesadas que las fijaciones de correa/carcasa estándar.

Realizaciones adicionales - asistencia de otras articulaciones

Otras realizaciones pueden construirse para ayudar a otras articulaciones. Por ejemplo, las interfaces superior e inferior de un dispositivo de asistencia ponible según algunas realizaciones podrían acoplarse entre el tronco del usuario y la cabeza del usuario. Este acoplamiento puede descargar el cuello para ayudar a un cirujano cuya cabeza se inclina hacia adelante durante largos períodos durante una operación. Las interfaces superior e inferior de un dispositivo de asistencia ponible según algunas realizaciones pueden acoplarse entre los brazos superior e inferior para descargar los músculos bíceps. Esto puede ser útil para un padre que lleva un niño en su brazo durante un período de tiempo prolongado. El acoplamiento entre la pierna y el pie puede proporcionar asistencia a individuos con músculos de pantorrilla débiles. La asistencia elástica puede ser selectivamente acoplada o desacoplada con el mismo mecanismo de embrague.

Realizaciones adicionales - integración en ropa

La figura 25 muestra cómo los principios analizados en el presente documento pueden integrarse en ropa diaria. Por ejemplo, una camisa podría tener un elástico incrustado que resista el movimiento durante las tareas de elevación e inclinación. La zona del hombro de la camisa podría tener capacidad de ajuste de la tensión o un mecanismo de embrague que sea fácilmente accesible para el usuario. Tanto la camisa como los pantalones pueden estar hechos de prendas antideslizantes transpirables para permitir que la fuerza se distribuya a través del cuerpo del usuario.

Realizaciones adicionales - diferencial de lado a lado

En algunas realizaciones, los dispositivos de asistencia ponibles descritos en el presente documento pueden diseñarse con un diferencial de lado a lado. Cuando un usuario se inclina a la derecha, o hacia adelante y parcialmente a la derecha, los músculos inferiores izquierdos de la espalda sufren una tensión más alta que los músculos en el lado derecho. Los dispositivos de asistencia ponibles pueden diseñarse para adaptarse naturalmente a la asimetría para proporcionar soporte a cada lado de la parte lumbar cuando se inclinan hacia la derecha o hacia la izquierda. Este diferencial de lado a lado puede lograrse cruzando los cables elásticos a lo largo de la parte posterior. El diferencial de lado a lado también podría lograrse añadiendo elementos elásticos a lo largo de los lados izquierdo y derecho del usuario. El diferencial de lado a lado también podría añadirse a través de otros medios tales como integrar un pequeño mecanismo de polea o palanca entre elementos elásticos.

Realizaciones adicionales - aplicaciones de resistencia

En algunas realizaciones, los dispositivos de asistencia ponibles descritos en el presente documento pueden usarse para entrenar los músculos abdominales donde un dispositivo de asistencia ponible según las diversas realizaciones podría acoplarse selectivamente para resistir el movimiento de flexión hacia adelante. Cuando el usuario intenta inclinarse hacia adelante, el/los elemento(s) elástico(s) rígido(s) que discurre(n) a lo largo de la espalda podría(n) ser enganchado(s). Los usuarios necesitarían ejercer suficiente esfuerzo muscular abdominal para doblarse normalmente más el esfuerzo adicional necesario para estirar la banda elástica. De esta manera, los músculos abdominales del usuario conseguirían un mayor entrenamiento para ayudar a reforzar la parte central del cuerpo de la persona. En algunas configuraciones, se puede usar un elemento viscoso o viscoelástico.

Aunque anteriormente se han descrito diversas realizaciones de la presente invención, debe entenderse que se han presentado solo a modo de ejemplo, y no de limitación. Por lo tanto, la amplitud y el alcance de la presente invención no deberían estar limitados por ninguna de las realizaciones descritas anteriormente. Más bien, el alcance de la invención debe definirse según las siguientes reivindicaciones.

Aunque la invención se ha ilustrado y descrito con respecto a una o más implementaciones, a otros expertos en la técnica se les ocurrirán alteraciones y modificaciones equivalentes tras la lectura y comprensión de esta memoria descriptiva y los dibujos adjuntos. Además, aunque una característica particular de la invención puede haber sido divulgada con respecto a solo una de varias implementaciones, tal característica puede ser combinada con una o más características de las otras implementaciones según se desee y sea ventajosa para cualquier aplicación dada o particular.

La terminología usada en el presente documento tiene el propósito de describir realizaciones particulares solamente y no pretende ser limitante de la invención. Como se usa en el presente documento, las formas singulares “un”, “una” y “el”, “ la” también pretenden incluir las formas plurales, a menos que el contexto indique claramente lo contrario. Además, en la medida en que los términos “que incluye”, “ incluye”, “que tiene”, “tiene”, “con” o variantes de los mismos se usan en la descripción detallada y/o las reivindicaciones, dichos términos pretenden ser inclusivos de una manera similar al término “que comprende”.

A menos que se defina lo contrario, todos los términos (incluidos los términos técnicos y científicos) usados en el presente documento tienen el mismo significado que el que entiende comúnmente un experto en la técnica a la que pertenece esta invención. Se entenderá además que términos, tales como los definidos en diccionarios de uso común, deben interpretarse como que tienen un significado que es consistente con su significado en el contexto de la técnica relevante y no se interpretarán en un sentido idealizado o demasiado formal a menos que se defina expresamente así en el presente documento.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo (600) de asistencia lumbar ponible llevado por un usuario, que comprende:

una interfaz (602) de cuerpo superior con un lado frontal y uno posterior;

una interfaz (604) de cuerpo inferior con un lado frontal y un lado posterior;

uno o más elementos (606) elásticos, acoplando cada uno de los elementos (606) elásticos mecánicamente la interfaz (602) de cuerpo superior a la interfaz (604) de cuerpo inferior y extendiéndose desde el lado posterior de la interfaz (602) de cuerpo superior al lado posterior de la interfaz (604) de cuerpo inferior y a lo largo de la espalda del usuario para proporcionar una fuerza de asistencia paralela a la espalda del usuario;

en el que cada uno de los elementos (606) elásticos comprende una primera parte (606A) elástica y una segunda parte (606B) elástica conectadas en serie, donde la primera parte (606A) elástica está conectada a la interfaz (602) de cuerpo superior y donde la segunda parte (606B) elástica está conectada a la interfaz (604) de cuerpo inferior, teniendo cada una de la primera parte (606A) elástica y la segunda parte (606B) elástica una rigidez diferente; caracterizado por que comprende además

un mecanismo (608) de embrague asociado con cada uno de los elementos (606) elásticos, estando configurado el mecanismo (608) de embrague para ajustar selectivamente la fuerza de asistencia proporcionada por el uno o más de los elementos (606) elásticos al acoplar y desacoplar selectivamente con el uno del elemento (606) elástico en un punto entre la primera parte (606A) elástica y la segunda parte (606B) elástica.

2. El dispositivo (600) de asistencia según la reivindicación 1, que comprende además un procesador (610) configurado para recibir datos de dinámica corporal y ajustar el funcionamiento del mecanismo (608) de embrague en base a los datos de dinámica corporal.

3. El dispositivo (600) de asistencia según la reivindicación 1, que comprende además un procesador (610) configurado para recibir una señal de entrada manual y ajustar el funcionamiento del mecanismo (608) de embrague en base a la señal de entrada manual.

4. El dispositivo (600) de asistencia según la reivindicación 1, en el que la interfaz (602) de cuerpo superior tiene la forma de un chaleco.

5. Dispositivo (600) de asistencia según la reivindicación 1, en el que la interfaz (604) de cuerpo inferior tiene la forma de fundas para las piernas o pantalones cortos.

6. El dispositivo (600) de asistencia según la reivindicación 1, en el que la rigidez de la segunda parte (606B) elástica es mayor que la rigidez de la primera parte (606A) elástica.

7. El dispositivo (600) de asistencia según la reivindicación 1, en el que el uno o más elementos (606) elásticos comprenden:

un primer elemento elástico que se extiende desde un lado derecho de la interfaz (602) de cuerpo superior hasta un lado izquierdo de la interfaz (604) de cuerpo inferior, y

un segundo elemento elástico que se extiende desde un lado izquierdo de la interfaz (602) de cuerpo superior hasta un lado derecho de la interfaz (604) de cuerpo inferior.

8. El dispositivo (600) de asistencia según la reivindicación 1, en el que el mecanismo (608) de embrague está conectado mecánicamente a la interfaz (602) de cuerpo superior, y en el que el mecanismo (608) de embrague está colocado entre la primera parte (606A) elástica y la segunda parte (606B) elástica.

9. Un método para operar un dispositivo (600) de asistencia ponible que tiene una interfaz (602) de cuerpo superior con un lado frontal y un lado posterior, una interfaz (604) de cuerpo inferior con un lado frontal y un lado posterior, uno o más elementos (606) elásticos que acoplan la interfaz (602) de cuerpo superior a la interfaz (604) de cuerpo inferior y que se extienden desde el lado posterior de la interfaz (602) de cuerpo superior hasta el lado posterior de la interfaz (604) de cuerpo inferior y a lo largo de la espalda del usuario para proporcionar una fuerza de asistencia paralela a la espalda del usuario,

en el que cada uno de los elementos (606) elásticos comprende una primera parte (606A) elástica y una segunda parte (606B) elástica conectadas en serie, donde la primera parte (606A) elástica está conectada a la interfaz (602) de cuerpo superior y donde la segunda parte (606B) elástica está conectada a la interfaz (604) de cuerpo inferior, teniendo cada una de la primera parte (606A) elástica y la segunda parte (606B) elástica una rigidez diferente; y un mecanismo (608) de embrague asociado con cada uno de los elementos (606) elásticos, comprendiendo el método: determinar, a través de un procesador (610), si una actividad actual del usuario requiere fuerza de asistencia; y al determinar que la actividad actual requiere fuerza de asistencia, generar, a través del procesador (610), señales de control para el mecanismo (608) de embrague que hacen que el mecanismo (608) de embrague aumente la fuerza de asistencia proporcionada a través de uno asociado de los elementos (606) elásticos al acoplarse y desacoplarse selectivamente con uno de los elementos (606) elásticos en un punto entre la primera parte (606A) elástica y la segunda parte (606B) elástica.

10. El método según la reivindicación 9, que comprende además:

al determinar que la actividad actual no requiere fuerza de asistencia, generar, a través del procesador (610), señales de control para el mecanismo (608) de embrague accionado, estando las señales de control configuradas para disminuir la fuerza de asistencia proporcionada a través de uno asociado de los elementos (606) elásticos.