ES3014599T3 - Powered-knee exoskeleton system - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un sistema de exoesqueleto para ayudar en la rehabilitación y asistencia de la marcha de pacientes. El sistema comprende: segmentos de caña, segmentos de muslo y un par de articulaciones de rodilla motorizadas que conectan respectivamente un segmento de caña y un segmento de muslo para las piernas izquierda y derecha. Un par de articulaciones de cadera conectan un segmento lumbar con los segmentos de muslo, y un par de segmentos de planta del pie se conectan con los segmentos de caña. Un controlador del sistema está adaptado para procesar las lecturas del sensor de velocidad angular y para controlar el funcionamiento de las articulaciones de rodilla motorizadas según dichas lecturas. El controlador del sistema también está adaptado para detectar el gesto de empuje de cadera del usuario, que indica su intención de dar un paso adelante, al detectar un aumento en la velocidad de avance de la articulación de la cadera en la dirección de la marcha. La invención proporciona una experiencia de marcha intuitiva para los usuarios, que se asemeja mucho a la marcha natural. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de exoesqueleto de rodilla motorizado

Sector y objetivo de la invención

La presente invención se refiere a un sistema de exoesqueleto para ayudar en el proceso de rehabilitación y ayuda a la marcha de pacientes con lesión de la médula espinal (Spinal Cord Injured, SCI), que aún conservan alguna función motora en la cadera.

Un objetivo de la invención es dar a conocer un sistema de exoesqueleto que proporciona a los usuarios una experiencia de marcha intuitiva, que se asemeja mucho a la marcha natural, sin la necesidad de realizar gestos no naturales.

Un objetivo adicional de la invención es dar a conocer un sistema de exoesqueleto que reduce los movimientos no deseados de la articulación de la cadera (es decir, abducción-aducción y rotación internaexterna), aumentando de este modo la velocidad de la marcha y la longitud del paso, reduciendo la oblicuidad pélvica y mejorando la postura de la parte superior del cuerpo (es decir, reduciendo la inclinación del tronco). Un objetivo adicional de la invención es dar a conocer un sistema de exoesqueleto que presenta un peso bajo, y que puede ser acoplado fácilmente a los pacientes, y que puede ser transportado y almacenado fácilmente.

Estado de la técnica anterior

La Organización Mundial de la Salud estima que la incidencia global de la lesión de la médula espinal (SCI) es de entre 40 y 80 casos nuevos por millón de habitantes por año, lo que representa entre 250.000 y 500.000 casos por año en todo el mundo. La incapacidad para permanecer de pie y caminar es una de las principales consecuencias de la SCI, que causa la pérdida de movilidad independiente y limita la participación e integración en la comunidad. Por lo tanto, la rehabilitación de la marcha después de una SCI ha sido notificada como un problema de alta prioridad para los pacientes, independientemente de su edad, tiempo después de la lesión, y la gravedad de la lesión.

La recuperación de la deambulación se ha identificado como una de las prioridades más altas para los pacientes con SCI, sin embargo, se ha notificado que el nivel de recuperación posible depende del nivel neurológico de la lesión y de si la lesión es completa o incompleta. En los últimos años, la tecnología ha evolucionado hasta convertirse en un componente importante dentro de un programa de terapia de locomoción. Uno de los desarrollos tecnológicos más notables ha sido la creación de exoesqueletos robóticos, con el objetivo de dar a conocer a los pacientes la capacidad de realizar múltiples repeticiones de la tarea locomotora con la mínima carga física para los terapeutas. Un alto número de repeticiones es uno de los principios clave del aprendizaje motor que ayuda a las personas con SCI incompleta a recuperar las funciones deambulatorias.

Los exoesqueletos robóticos son dispositivos que se colocan sobre el cuerpo humano y ayudan a los usuarios a realizar movimientos específicos. Normalmente, los exoesqueletos robóticos están equipados con sensores para medir aquellas variables que los ayudarán a tomar decisiones y a realizar tareas en un momento específico. A continuación, las decisiones tomadas son transformadas en movimiento y fuerza reales mediante accionadores colocados en ubicaciones específicas según los movimientos que el exoesqueleto pretende restaurar.

En concreto, los exoesqueletos portátiles para extremidades inferiores están surgiendo como una solución prometedora para recuperar la movilidad después de una lesión medular, debido a la participación activa requerida por parte del usuario, que favorece la actividad física, y a la posibilidad de ser utilizados como un dispositivo de ayuda en la comunidad.

En los últimos años se ha fabricado una pequeña cantidad de exoesqueletos y ahora están certificados para su uso en hospitales de todo el mundo, mientras que hay muchos otros que se encuentran en su etapa inicial de desarrollo o que aún no están completamente certificados para su utilización masiva. Existen diferencias sustanciales entre estos exoesqueletos en términos de peso, tamaño, diseño ortopédico y procedimiento de activación.

Normalmente, los exoesqueletos requieren que los usuarios realicen cambios de peso o indicaciones posturales no naturales para iniciar los pasos. Además, la falta de control de la cadera conduce a una rotación externa excesiva de la cadera, lo que produce desequilibrio y movimientos no deseados de las piernas que eventualmente podrían provocar lesiones o caídas.

Otra limitación importante de las soluciones disponibles comercialmente que tienen como objetivo ayudar a los pacientes con parálisis grave es que son pesadas y voluminosas, lo que limita la colocación y retirada independientes, la aceptación del usuario, la usabilidad y la transportabilidad.

La PCT internacional WO2018/073252 A1 da a conocer un sistema para ayudar a caminar a pacientes con lesión de la médula espinal que conservan la capacidad de flexión de la cadera, en el que el sistema comprende una órtesis individual izquierda y derecha, cada una de las cuales incluye un accionador angular para cada rodilla, una pluralidad de sensores y un sistema de control que decide cuándo flexionar o extender la rodilla dependiendo del ciclo de marcha y utilizando las lecturas de datos de los sensores. El sistema no incluye un segmento lumbar o de cadera que conecte las órtesis izquierda y derecha.

La PCT WO 2013/188868 A1 describe un exoesqueleto para aplicar fuerza a como mínimo una extremidad inferior de un usuario, que comprende: un segmento de cadera; un segmento de muslo acoplado al segmento de cadera mediante una articulación motorizada; una pluralidad de sensores asociados con la extremidad inferior; y un sistema de control. Las señales basadas en sensores se pueden utilizar en asociación con cambios en la configuración interna del exoesqueleto, tal como el ángulo de la rodilla, el ángulo de la cadera o el ángulo diferencial de la cadera. La transición de la fase de apoyo simple a la fase de apoyo doble se detecta cuando la medición indica un cambio en la dirección de la velocidad angular del segmento de la pierna de la pierna que oscila.

La PCT WO 2016/089466 A2 se refiere a sistemas y procedimientos para dar a conocer la ayuda al movimiento humano, incluyendo el movimiento de cadera y tobillo, en los que la retroalimentación del sensor se utiliza para determinar un perfil apropiado para accionar un sistema robótico ponible para proporcionar la ayuda deseada al movimiento de las articulaciones.

Características de la invención

La presente invención está definida en la reivindicación independiente adjunta, y resuelve satisfactoriamente los inconvenientes de la técnica anterior, proporcionando un sistema de exoesqueleto robótico bilateral para ayudar a pacientes con lesión de la médula espinal (SCI) con su proceso de rehabilitación y ayuda a la marcha, siempre que los pacientes conserven alguna función motora en la cadera, de tal manera que el sistema ayuda a los pacientes en la realización de maniobras comunes con las que los pacientes pueden tener dificultad, proporcionando una experiencia de marcha intuitiva que se asemeja mucho a la marcha natural.

Más en detalle, un aspecto de la invención se refiere a un sistema de exoesqueleto que comprende: un segmento lumbar, un par de segmentos de pierna y un par de segmentos de muslo adaptados para ser utilizados por un paciente respectivamente en la zona lumbar y en las partes de la pierna y del muslo, de las piernas.

Tener un segmento lumbar conectado con los segmentos del muslo, reduce rotaciones de cadera indeseables y mejora el rendimiento de la marcha para personas con SCI.

El sistema comprende además un par de articulaciones de rodilla o articulaciones motorizadas que conectan respectivamente un segmento de pierna y un segmento de muslo, para producir un movimiento de flexión y extensión entre los segmentos de pierna y muslo. Preferentemente, las articulaciones de rodilla motorizadas están adaptadas para obtener lecturas de ángulos de flexión entre los segmentos de pierna y muslo a los que están conectadas.

Adicionalmente, el sistema comprende un par de articulaciones de cadera que conectan el segmento lumbar con los segmentos de muslo. El par de articulaciones de cadera pueden ser articulaciones pasivas o articulaciones activas. En una realización preferente de la invención, el par de articulaciones de cadera son articulaciones pasivas, que permiten un movimiento relativo de flexión y extensión libre entre los segmentos del muslo y los segmentos lumbares, limitando los otros grados de libertad de la cadera.

El sistema comprende además un par de segmentos de planta del pie conectados con los segmentos de pierna ya sea por medio de: una articulación pasiva o por medio de una articulación fija que limita la articulación del tobillo para que permanezca fija en su configuración anatómica.

La estructura definida anteriormente del sistema de exoesqueleto permite la flexión-extensión de la cadera, pero limita la abducción-aducción y la rotación interna-externa de la cadera, de tal manera que se aumenta el rendimiento de la marcha, así como: la velocidad de la marcha y la longitud del paso, se reduce la oblicuidad pélvica y se mejora la postura de la parte superior del cuerpo (es decir, se reduce la inclinación del tronco) al tiempo que se favorece el proceso de neuroplasticidad.

El sistema comprende además un par de sensores, dispuestos para medir la velocidad angular de cada uno de los segmentos del muslo, y un controlador del sistema, adaptado para procesar las lecturas de los sensores de velocidad angular y para controlar el funcionamiento de las articulaciones de rodilla motorizadas basándose en las lecturas de los sensores de velocidad angular.

Según la invención, el controlador del sistema está adaptado además para detectar un gesto de empuje de cadera de un usuario, que indica la intención de un usuario de iniciar un paso hacia adelante, mediante la detección un aumento en la velocidad hacia adelante de una articulación de la cadera en la dirección de la marcha.

El controlador del sistema está adaptado además para accionar la respectiva articulación de rodilla motorizada para realizar una trayectoria de flexión-extensión de rodilla para balancear la pierna de un usuario hacia adelante para dar un paso, cuando se ha detectado un aumento en la velocidad de la articulación de la cadera correspondiente.

Además, el controlador del sistema está adaptado para accionar la articulación de rodilla motorizada para mantener la pierna de un usuario recta cuando se detecta que el pie está en contacto con el suelo.

Preferentemente, el controlador del sistema está adaptado para determinar el aumento de la velocidad de una articulación de la cadera, detectando un valor mínimo local de la velocidad angular de un segmento de muslo, y comparando el valor mínimo local detectado con los valores de velocidad angular medidos posteriormente, para detectar cuándo la diferencia entre los valores comparados es mayor que un umbral predefinido.

Por lo tanto, un efecto técnico y una ventaja de la invención es su capacidad de anticipar la intención de un usuario de iniciar un paso para caminar, sin necesidad de que el usuario realice gestos antinaturales. Esta detección de la intención del usuario de iniciar un paso se detecta de manera independiente y fluida en cada paso, lo que permite al usuario sentir que tiene el control total del exoesqueleto mientras camina.

Además, el sistema es capaz de ayudar a los pacientes en maniobras tales como: de estar sentado a levantarse, permanecer de pie, caminar y de estar de pie a sentarse. El sistema de exoesqueleto de la invención está previsto para realizar funciones deambulatorias en instituciones de rehabilitación, con el uso de ayudas para caminar y bajo la supervisión de un terapeuta capacitado.

Preferentemente, el sistema comprende botones pulsadores izquierdo y derecho para que un terapeuta indique manualmente al sistema cuándo iniciar la trayectoria de flexión-extensión de la rodilla derecha e izquierda, permitiendo que la pierna del usuario se balancee hacia adelante para dar un paso. El sistema está adaptado además para almacenar el instante de tiempo indicado por el terapeuta para iniciar la trayectoria de extensión de la rodilla derecha e izquierda.

Asimismo, el controlador del sistema está adaptado además para llevar a cabo un proceso de calibración, para personalizar la detección del gesto de empuje de la cadera para cada usuario, variando el umbral de velocidad angular predefinido, basándose en la activación manual de los botones pulsadores izquierdo y derecho y en las lecturas de la velocidad angular de los segmentos del muslo o de la pierna, de tal manera que el momento para iniciar una trayectoria de flexión-extensión de la rodilla coincide sustancialmente con el momento indicado por el terapeuta.

Asimismo, el controlador del sistema está adaptado además para realizar un control de seguridad para habilitar o deshabilitar el funcionamiento de las articulaciones de rodilla motorizadas para balancear la pierna de un usuario, y en el que el controlador del sistema está adaptado además para calcular la diferencia entre los ángulos de ambos segmentos de muslo con respecto a la vertical, de tal manera que cuando esa diferencia está por debajo de un umbral de seguridad predefinido, el controlador del sistema deshabilita el funcionamiento de las articulaciones de rodilla motorizadas para balancear una pierna del usuario hacia adelante.

El controlador del sistema está adaptado adicionalmente para calcular la diferencia entre la orientación angular de los segmentos de pierna derecho e izquierdo, como la suma de la orientación angular de cada segmento de muslo y la flexión de la rodilla.

Adicionalmente, el controlador del sistema está adaptado para deshabilitar el funcionamiento de las articulaciones de rodilla motorizadas para balancear la pierna de un usuario hacia adelante, cuando cualquiera de las articulaciones de rodilla motorizadas está ejecutando un movimiento de paso.

Además, el controlador del sistema está adaptado adicionalmente para permitir el funcionamiento de las articulaciones de rodilla motorizadas para balancear la pierna de un usuario hacia adelante, cuando la diferencia entre la orientación angular de los segmentos de pierna es mayor que el umbral de seguridad predefinido, y durante más de un tiempo predefinido.

Además de los sensores de velocidad angular, el sistema incluye sensores de orientación, dispuestos para medir el ángulo de cada segmento de muslo con respecto a la vertical al suelo.

El sistema incorpora como mínimo una unidad de medición inercial, IMU, alojada en el interior de los segmentos de muslo y orientada longitudinalmente, es decir, en la dirección femoral de los segmentos de muslo, para medir la aceleración, la velocidad angular y el ángulo absoluto de orientación de los segmentos de muslo.

Cada unidad IMU está equipada con nueve sensores de movimiento de grados de libertad, teniendo cada sensor un giroscopio de 3 ejes, un acelerómetro de 3 ejes y un magnetómetro de 3 ejes, que se utilizan para medir la orientación y aceleración de cada pierna, generando lecturas de orientación absoluta, velocidad angular y aceleración lineal.

En una realización preferente, el exoesqueleto se materializa como un equipo modular. En concreto, el sistema comprende cinco módulos acoplables, a saber: un módulo lumbar, que incluye los segmentos lumbares y las articulaciones libres pasivas acopladas a dos extremos de los segmentos lumbares, segmentos de pie izquierdo y derecho, y módulos de pierna izquierda y derecha, cada uno de los cuales incluye un segmento de pierna, un módulo de muslo y una articulación de rodilla motorizada. También presenta un diseño modular, para facilitar el transporte, el almacenamiento en una maleta y los procesos de ponerlo y quitarlo.

Por lo tanto, a diferencia de los exoesqueletos de la técnica anterior que utilizan cuatro o seis motores para funcionar, según la invención, con solo dos motores en las rodillas y limitando otros movimientos preferentemente de manera pasiva, un paciente con paraplejia completa (sin función motora por debajo de la cadera) es capaz de caminar de nuevo.

Utilizando solo dos accionadores en las rodillas, el sistema de la invención es capaz de ayudar a los pacientes parapléjicos a ponerse de pie y caminar, maximizando la participación del usuario en la marcha favoreciendo las funciones motoras preservadas y actuando solo en las articulaciones de las rodillas, sin ayudar en movimientos innecesarios. La flexión de la rodilla permite bajar la cadera durante la fase de balanceo, lo que reduce las oscilaciones del centro de masas, mejorando la eficiencia energética de la marcha.

Breve descripción de los dibujos

A continuación se describen realizaciones preferentes de la invención con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 muestra, en una vista en perspectiva, una implementación preferente del sistema de exoesqueleto de la invención, en una posición de pie.

La figura 2 muestra en las figuras A y B, dos vistas en perspectiva del exoesqueleto, en dos posiciones de marcha diferentes.

La figura 3 muestra dos vistas en alzado del exoesqueleto, siendo la figura A una vista en alzado frontal y la figura B una vista en alzado posterior.

La figura 4 muestra otra vista en perspectiva del exoesqueleto siendo utilizado para ayudar a un paciente a caminar.

La figura 5 muestra, en una vista en perspectiva, la construcción modular del exoesqueleto.

La figura 6 muestra dos vistas en perspectiva del módulo lumbar.

La figura 7 muestra dos gráficos correspondientes a una marcha saludable durante un período tres pasos, donde la figura A muestra una flexión de un segmento de pierna al caminar, y en la figura B se muestra la velocidad correspondiente del segmento de pierna. La flexión de la pierna se refiere al ángulo que tiene un segmento de la pierna con respecto a la vertical. Las unidades no son relevantes pero, positivo, en este contexto, es equivalente a que el talón esté orientado hacia atrás. El evento Puntera Separada está marcado para cada paso.

La figura 8 muestra dos gráficos correspondientes a una marcha de SCI utilizando el exoesqueleto de la invención durante un período de tres pasos, y en correspondencia con los diagramas de la figura 7. De manera similar a la figura 7, la figura A muestra una flexión de un segmento de pierna al caminar, y en la figura B se muestra la velocidad correspondiente del segmento de pierna. La flexión de la pierna se refiere al ángulo que tiene un segmento de pierna con respecto a la vertical. Las unidades no son relevantes pero, positivo, en este contexto, es equivalente a que el talón esté orientado hacia atrás. El evento Puntera Separada está marcado para cada paso.

La figura 9 muestra en la figura A una vista ampliada de una parte de la figura 7B correspondiente a un paso. La figura 9B muestra la diferencia entre los valores de “Profundidad” y “Prominencia”.

La figura 10 muestra un diagrama de flujo del proceso de control de seguridad.

Realización preferente de la invención

Las figuras 1 a 4 muestran un ejemplo de implementación del sistema de exoesqueleto (1) de la invención, que comprende un par de segmentos de pierna (2, 2’), un par de segmentos de muslo (3, 3’) y un par de articulaciones de rodilla motorizadas (4, 4’) que conectan respectivamente un segmento de pierna (2, 2’) y un segmento de muslo (3, 3’), para producir un movimiento de flexión y extensión controlado entre los segmentos de pierna y muslo (2, 2’, 3, 3’) para la pierna izquierda y derecha de un paciente.

Cada articulación de rodilla motorizada (4, 4’) incluye un motor eléctrico (no mostrado) asociado a un mecanismo de engranajes (no mostrado) para aumentar el par del motor. El motor eléctrico y el mecanismo de engranajes están alojados en el interior de una carcasa cilindrica (8, 8’).

Los segmentos de pierna y de muslo (2, 2’, 3, 3’) están construidos como cuerpos rígidos rectos y planos, realizados de material ligero tal como aluminio, fibra de carbono y/o plástico duro. Tal como se muestra en las figuras 3A, 3B, el exoesqueleto tiene una construcción muy delgada y ligera que facilita su portabilidad y usabilidad, al tiempo que permite una fácil transferencia de un paciente desde una silla de ruedas. En concreto, tal como se muestra en las figuras 3A, 3B los segmentos de pierna y de muslo son coplanarios, es decir, se mueven uno con respecto al otro en el mismo plano. El exoesqueleto no tiene mochila ni componentes de la parte superior del cuerpo, lo que, junto con su diseño compacto, permite su utilización mientras se está sentado en una silla de ruedas estándar.

El sistema (1) comprende además un segmento lumbar (5) que tiene una configuración en general en forma de U, y está adaptado anatómicamente para ser acoplado en la zona lumbar y de la cadera de un paciente, tal como se muestra por ejemplo en las figuras 3 y 4. El segmento lumbar (5) también está construido como un cuerpo plano realizado de un material ligero, e incorpora una correa (17) o cinturón para sujetarlo firmemente a la zona lumbar de un usuario, tal como se muestra con más detalle en la figura 4.

De manera similar, cada segmento de muslo (3, 3’) está equipado con un apoyo de muslo (18, 18’) equipado con correas de muslo (21 , 21 ’), y cada segmento de pierna (2 , 2 ’) está equipado con un apoyo de pierna (19, 19’) equipado con correas de pierna (2, 2’), para apoyar y unir respectivamente los segmentos de muslo y pierna a las partes correspondientes de la pierna de un usuario y las piernas derechas de un usuario. El sistema incluye además un par de articulaciones de cadera (6, 6’) que conectan el segmento lumbar (5) en sus extremos con los segmentos de muslo (3, 3’). En esta implementación a modo de ejemplo, el par de articulaciones de cadera (6, 6’) son articulaciones pasivas, que permiten un movimiento relativo de flexión y extensión libre entre los segmentos de muslo (3, 3’) y el segmento lumbar (5). Sin embargo, en otras implementaciones prácticas, las articulaciones de cadera (6, 6’) están realizadas como articulaciones activas. Adicionalmente, un par de segmentos de planta del pie (7, 7’) se conectan con los segmentos de pierna (2, 2’), en esta implementación preferente, por medio de respectivas articulaciones fijas (9, 9’) que obligan a la articulación del tobillo a permanecer fija en su configuración anatómica para impedir el movimiento del tobillo del usuario.

La posición de los segmentos de planta del pie (7, 7’) es ajustable longitudinalmente con respecto a los segmentos de pierna (2, 2’). Para ello, cada segmento de planta del pie (7, 7’) incluye una barra (10, 10’) que es acoplable telescópicamente con los respectivos segmentos de pierna (2 , 2 ’), y está equipada con clavijas de bloqueo de liberación rápida, para fijar el segmento de planta del pie con el respectivo segmento de pierna en la posición deseada.

El ancho de cadera, la longitud y profundidad del muslo, la longitud y profundidad de la pierna y la profundidad del tope del talón pueden ser ajustados fácilmente sin ninguna herramienta externa mediante la utilización de clavijas de bloqueo de liberación rápida, y están diseñados de tal manera que el exoesqueleto puede ser utilizado por personas que pesan hasta 100 kg y una altura comprendida entre 150 y 190 cm. Tal como se representa más claramente en las figuras 2B, 6A y 6B, el segmento lumbar (5) tiene una carcasa (15), que aloja un componente de batería y una unidad de control electrónico, ECU, y preferentemente también módulos de comunicación Wi-Fi y Bluetooth. Adicionalmente, la carcasa (15) está configurada para ser utilizada como elementos de sujeción para la mano, para que un terapeuta ayude a un usuario a mantener el equilibrio, tal como se muestra en la figura 6B.

Un par de botones pulsadores (16) están dispuestos en la carcasa (15), y están asociados con la Unidad de control electrónico, ECU, de modo que un terapeuta pueda indicar manualmente al sistema cuándo balancear las piernas izquierda y derecha del usuario hacia adelante para dar un paso, de tal manera que el controlador del sistema puede llevar a cabo el proceso de calibración explicado anteriormente. Además de activar etapas manuales, los botones pulsadores (16) se pueden utilizar para activar otros cambios de estado, tal como el proceso de ponerse de pie y el proceso de sentarse.

Mientras está de pie, el accionador de las articulaciones de rodillas motorizadas aplica el par necesario para mantener rectas las piernas del usuario. Para detectar la intención del usuario de moverse hacia adelante, la ECU incorporada en el segmento lumbar (5) recibe datos de movimiento de los sensores de IMU colocados en los segmentos de muslo (3, 3’) causados por movimientos de cadera, analiza los datos e identifica el instante de tiempo en el que se debe activar un ciclo de flexión-extensión de rodilla para balancear una pierna hacia adelante, imitando la trayectoria de una marcha natural. La retroalimentación auditiva y las señales visuales de las luces LED en el segmento lumbar informan tanto al terapeuta como al usuario sobre el estado del sistema y el estado operativo.

Tal como se muestra en las figuras 2A, 2B, las unidades IMU (20, 20’) están integradas preferentemente en el interior de los segmentos de muslo (3, 3’), justo por encima de las articulaciones de rodilla (4, 4’) accionadas. Alternativamente, las unidades IMU (20, 20’) se colocan en los segmentos de la pierna (2, 2’), justo debajo de las articulaciones de rodilla motorizadas (4, 4’).

El exoesqueleto se debe utilizar con un bastón, muleta o andador para estabilidad, tal como se representa en la figura 4 y, si es necesario, el terapeuta puede ayudar al usuario a mantener el equilibrio sosteniendo la carcasa (15) con ambas manos tal como se muestra en la figura 6B, y el par de botones pulsadores (16) se colocan de una manera que puedan ser alcanzados por los dedos del terapeuta sin mover sus manos mientras sostiene la carcasa (15).

Tal como se representa en la figura 5 el sistema de exoesqueleto (1) está construido como un aparato modular, de una manera que comprende cinco módulos acoplables, a saber: un módulo lumbar (11 ), formado por el segmento lumbar (5) y las articulaciones libres pasivas (6, 6’) cada uno acoplado a un extremo del segmento lumbar (5), módulos de pierna izquierda y derecha (12, 12’) cada uno incluyendo un segmento de muslo (3, 3’) un segmento de pierna (2, 2’) y la articulación de rodilla motorizada (4, 4’) correspondiente, y, finalmente, módulos de pie (13, 13’) que incluyen un segmento de pie (7, 7’) y una barra (10, 10’).

Para conectar el módulo lumbar (11) con los módulos de pierna izquierda y derecha (12, 12’), el sistema (1) está equipado con medios de conexión rápida (14, 14’) para acoplar los módulos entre sí mecánica y eléctricamente para conectar las baterías y la ECU con las unidades IMU dispuestas en los segmentos de muslo (3, 3’) y el motor eléctrico de la articulación de la rodilla (4, 4’).

Para utilizar el exoesqueleto, los módulos son ajustados primero individualmente a las partes del cuerpo correspondientes y, a continuación, se conectan entre sí. Esta modularidad proporciona una usabilidad única reduciendo sustancialmente el tiempo de quitar y poner el dispositivo. Esta característica, junto con una estructura compacta y delgada que es posicionada más cerca del cuerpo del usuario, permite poner y quitar el exoesqueleto directamente desde una silla de ruedas, evitando por lo tanto transiciones innecesarias a una silla. También ofrece facilidad de manejo, transporte y almacenamiento en una pequeña maleta.

Preferentemente, la carcasa (15) también aloja un módulo de comunicación Wi-Fi y Bluetooth, de modo que mediante una aplicación de teléfono móvil, permite al terapeuta configurar (ajustarse correctamente al usuario, mostrar el estado del sistema), accionar (cambiar entre estados de funcionamiento, cambiar parámetros de la marcha tales como la flexión de rodilla o el tiempo de la fase de balanceo en tiempo real) y monitorizar (utilización en tiempo real, realizar un seguimiento del progreso del usuario, registrar los datos de las sesiones) el exoesqueleto durante una sesión de terapia.

El sistema incorpora un complemento para usuarios avanzados: un controlador remoto (no mostrado) que se puede acoplar al bastón, muleta o andador para permitir a los usuarios cambiar entre estados de funcionamiento de manera independiente. El controlador remoto se comunica de manera inalámbrica con el exoesqueleto a través de Bluetooth, y proporciona retroalimentación visual y auditiva del estado del sistema. De esta manera, el usuario puede levantarse, caminar y sentarse por sí solo, siempre con la supervisión de un terapeuta.

Las figuras 7 y 8 muestran el proceso de control llevado a cabo por el controlador del sistema. Tal como se muestra en estas figuras, alrededor del evento Puntera Separada en cada paso, es decir, cuando el usuario levanta el pie del suelo, la velocidad angular de la pierna aumenta desde un mínimo local considerado como “Profundidad” hasta un valor máximo considerado como “Prominencia”.

En la invención, se ha encontrado que detectar estos dos puntos críticos, “Profundidad” y “Prominencia”, es equivalente a detectar un “Empuje de cadera” hacia adelante cuando un paciente con SCI usa el exoesqueleto bilateral, y este “Empuje de cadera” detectado es el gesto considerado como la intención de un paciente para iniciar cada uno de los pasos.

Cuando un usuario, especialmente un paciente con SCI, utiliza un andador para dar un paso hacia adelante, lo hace primero empujando las caderas hacia adelante antes de levantar los pies del suelo. Por lo tanto, detectar el “empuje de cadera” es equivalente a detectar la intención del paciente de iniciar un paso. El “empuje de cadera” se puede definir como un aumento repentino de la velocidad hacia adelante (en la dirección de la marcha) de la articulación de la cadera durante la fase de doble apoyo de la marcha.

La figura 9A muestra una vista ampliada de una flexión de la pierna correspondiente a un paso, en la que se indican los valores de “Profundidad” y “Prominencia”, y la figura 9B muestra la diferencia entre los valores de “Profundidad” y “Prominencia”. El proceso de cálculo principal que lleva a cabo el controlador del sistema es el siguiente: en primer lugar, se mide el valor mínimo de la velocidad angular y se almacena como un valor de “Profundidad”. En segundo lugar, el valor de “Profundidad” almacenado se compara con la velocidad angular medida real. Ambos serán iguales mientras la velocidad angular esté disminuyendo, pero una vez que se encuentre el mínimo local, la velocidad real aumentará. Una vez que la diferencia entre la velocidad real y la profundidad es mayor que un umbral predefinido (Prominencia), se ha detectado el “Empuje de cadera” y se debe activar un movimiento de paso para accionar la articulación de rodilla motorizada respectiva para balancear una pierna del usuario hacia adelante.

Por lo tanto, la función mínima del proceso de cálculo principal requiere:

- Una variable para almacenar la Profundidad

- Un parámetro ajustable, Prominencia

- Las lecturas del sensor de velocidad angular

Por encima de este proceso de cálculo principal, el controlador del sistema está adaptado para implementar un control de seguridad para habilitar o deshabilitar la ejecución del proceso de cálculo principal, habilitando o deshabilitando de este modo el funcionamiento de las articulaciones de rodilla motorizadas.

En este control de seguridad, el controlador del sistema calcula la diferencia entre los ángulos de ambos segmentos de muslo con respecto a la vertical, de tal manera que cuando esa diferencia está por debajo de un umbral de seguridad predefinido, el controlador del sistema deshabilita el funcionamiento de las articulaciones de rodilla motorizadas para balancear la pierna de un usuario hacia adelante.

El cálculo principal se reinicia cada vez que se termina un paso o cuando el ángulo del muslo resulta negativo. Esto garantiza que la parte de balanceo del paso se ignore y aumenta la robustez al iniciar una caminata.

El control de seguridad utiliza el ángulo del muslo para evitar que se ejecute el algoritmo a menos que las piernas estén separadas longitudinalmente más de un umbral predefinido. Esto se calcula como la diferencia de los ángulos de los muslos con respecto a la vertical. Cualquier diferencia de ángulo entre las piernas por debajo del umbral dado desactiva el activador por seguridad. También controla cuándo necesita el núcleo ser reiniciado.

Los parámetros mínimos del control de seguridad son los siguientes:

- La medida del ángulo del muslo con respecto a la vertical de ambas órtesis.

- 1 parámetro que controla la separación mínima para habilitar el núcleo.

- 1 parámetro que controla la flexión de rodilla de Piernas Rectas.

Esto se configura como una serie de declaraciones de IF antes de la funcionalidad del núcleo que deshabilita el núcleo en las siguientes circunstancias.

- Si la separación entre las piernas es menor que el umbral predefinido, el núcleo se deshabilita.

- Si el ángulo del muslo resulta negativo (Talón orientado hacia adelante) el núcleo se reinicia, borrando su memoria.

- Si el ángulo de flexión de la rodilla es diferente de la flexión de rodilla de Piernas Rectas predefinida, el núcleo se deshabilita.

El proceso completo requiere:

- Medición de la velocidad angular de cada muslo.

- Medición del ángulo con respecto a la vertical de cada muslo.

- 1 Variable para almacenar la Profundidad.

Y se ajusta con:

- 1 Parámetro principal, Prominencia

- 2 Parámetros secundarios:

<o>Separación mínima de piernas

<o>Flexión de rodillas de piernas rectas

Los parámetros secundarios se definen de tal manera que pueden ser configurados al comienzo de la sesión y no es necesario cambiarlos mucho. El parámetro principal, sin embargo, normalmente necesita ser ajustado al estado actual del paciente y cambiará cuando el usuario se sienta cómodo con el dispositivo y la rehabilitación avance.

En un nivel superior, el algoritmo se ejecuta en cada intervalo de tiempo y realiza las pruebas en la figura 10. Cada bloque en el diagrama de flujo representa una función que es llamada y modifica el estado o devuelve una condición de éxito o fallo.

El funcionamiento del sistema de exoesqueleto se adapta a cada usuario de manera automática, ejecutando un proceso de calibración que supervisa los datos medidos y ajusta los parámetros al valor adecuado para el funcionamiento. La calibración puede ser ejecutada en paralelo a la obtención de datos o en serie. La calibración en paralelo o “en vivo” se ejecuta junto con el proceso central y ajusta los parámetros después de que se realiza cada paso.

En una realización preferente, el proceso de calibración se ejecuta en serie, después de que se realiza un conjunto de pasos, la calibración optimiza los parámetros después de que se realizan los pasos para no molestar al usuario del exoesqueleto mientras está en uso directo.

Para iniciar el proceso de calibración, un segundo usuario, normalmente un terapeuta, utiliza los botones pulsadores (16) en la carcasa (15) para activar los pasos manualmente.

El flujo de trabajo es el siguiente:

- Se activa la calibración

- El exoesqueleto comienza a almacenar los datos

- El usuario y el terapeuta realizan el máximo de pasos posibles utilizando el modo manual

- El exoesqueleto procesa los datos

- Se ajustan los parámetros.

Este flujo de trabajo permite la medición independiente de los datos. Se supone que el terapeuta conoce el momento correcto para activar un paso y, por lo tanto, el algoritmo de marcha no influye en los datos para la calibración. Esta información se puede utilizar para recomendar los parámetros que darían como resultado patrones de marcha similares a los patrones recomendados por el terapeuta.

Los datos medidos son los siguientes:

- Tiempo

- Velocidad angular Izquierda/Derecha del muslo

- Diferencia del ángulo de la pierna

- Estado del paso Izquierdo/Derecho (1 mientras la rodilla está realizando una flexión o una extensión, 0 en caso contrario).

El proceso de calibración depende principalmente de la secuencia de procesamiento de datos, que consta de varias etapas que extraen los puntos relevantes de los datos para calcular los parámetros.

1. Filtro: las velocidades angulares Izquierda/Derecha son filtradas para suavizar el ruido y los picos no deseados.

2. Recorte: los datos se acortan para incluir solo el período de pasos consistentes.

3. Estimación de la separación mínima de las piernas

4. Estimación de la prominencia.

En la etapa 3, la estimación de la separación mínima de las piernas recomienda un valor para la separación mínima de las piernas que garantice que se permitan los pasos activados por el terapeuta. Esto se consigue almacenando la separación de las piernas en el momento de cada activación.

El valor recomendado será la media menos 2 veces la desviación estándar. Esto garantiza que se active el 95 % de la distribución teórica de los pasos. A continuación, este valor se limita a un valor mínimo establecido por defecto para excluir valores extremadamente pequeños que no se deben permitir por razones de seguridad.

En la etapa 4, la estimación de la prominencia recomienda un valor para la prominencia que activará la mayoría de las etapas de la distribución de datos. Esto se consigue detectando primero cuándo se ha activado un paso y, a continuación, midiendo hacia atrás la prominencia absoluta y la profundidad absoluta. Los pasos con éxito se calculan clasificando los mínimos de la velocidad angular del muslo. Se considera que un paso tiene éxito si genera un mínimo con un valor inferior a 100 grados/s (3 mínimos más bajos en la figura 8).

Para cada pico, se realiza una iteración para buscar la prominencia (figura 8). Si se encuentra la prominencia, se continúa la iteración para encontrar el siguiente mínimo, la profundidad. Cuando se han encontrado los dos valores, se almacena la prominencia recomendada (figura 9B).

El valor recomendado será la prominencia media menos dos veces la desviación estándar. Esto garantiza que se active el 95 % de la distribución teórica de pasos. A continuación, este valor se limita a un valor mínimo establecido por defecto para excluir valores extremadamente pequeños que no se deben permitir por razones de seguridad.

Estos valores recomendados se almacenan en el perfil de marcha de cada usuario en concreto. Este proceso permite personalizar los algoritmos de activación de la marcha para cada individuo, detectando sin problemas su intención de iniciar cada paso interpretando los movimientos mínimos producidos por el usuario. Esto permite al usuario saltarse el ensayo y error y centrarse en la terapia y centrar sus esfuerzos en generar patrones de marcha saludables.

Otras realizaciones preferentes de la presente invención están descritas en las reivindicaciones dependientes adjuntas y las múltiples combinaciones de esas reivindicaciones.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Sistema de exoesqueleto de rodilla motorizado (1), que comprende:

un par de segmentos de pierna (2, 2 ’),

un par de segmentos de muslo (3, 3’),

un par de articulaciones de rodilla motorizadas (4, 4’), que conectan respectivamente un segmento de pierna (2, 2’) y un segmento de muslo (3, 3’), para producir un movimiento de flexión y extensión entre los segmentos de pierna y muslo (2, 2’, 3, 3’),

un segmento lumbar (5),

un par de articulaciones de cadera (6, 6’), que conectan el segmento lumbar (5) con los segmentos de muslo (3, 3’),

un par de segmentos de planta del pie (7, 7’) conectados respectivamente con los segmentos de pierna (2, 2 ’),

como mínimo un par de sensores adecuados para medir o calcular la velocidad angular de cada uno de los segmentos de muslo o de pierna (2, 2’, 3, 3’),

un controlador del sistema, adaptado para procesar lecturas de sensores de velocidad angular y para controlar el funcionamiento de las articulaciones de rodilla motorizadas (4, 4’) basándose en la velocidad angular de las lecturas de los sensores,

en el que el controlador del sistema está adaptado además para detectar un gesto de empuje de cadera del usuario que indica la intención del usuario de iniciar un paso hacia adelante, mediante la detección de un aumento en la velocidad hacia adelante de una articulación de la cadera en la dirección de la marcha, y en el que el controlador del sistema está adaptado para determinar el aumento en la velocidad hacia adelante de una articulación de la cadera en la dirección de la marcha (6, 6’), detectando un valor mínimo local de la velocidad angular del segmento del muslo o de la pierna, comparando el valor mínimo local detectado con los valores de velocidad angular medidos posteriormente, para detectar cuándo la diferencia entre los valores comparados es mayor que un umbral predefinido, y restableciendo la detección del gesto de empuje de cadera del usuario cada vez que el ángulo del muslo o de la pierna resulta negativo.

2. Sistema, según la reivindicación 1, en el que el controlador del sistema está adaptado además para accionar la respectiva articulación de rodilla motorizada (4, 4’) para realizar una trayectoria de flexión-extensión de rodilla, permitiendo que la pierna del usuario se balancee hacia adelante para dar un paso, cuando se ha detectado un aumento en la velocidad de una articulación de cadera (6, 6’).

3. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende botones pulsadores izquierdo y derecho (16) para que un terapeuta indique manualmente al sistema cuándo iniciar la trayectoria de flexión-extensión de rodilla derecha e izquierda, permitiendo que la pierna del usuario se balancee hacia adelante para dar un paso, y en el que el sistema está adaptado además para almacenar el instante de tiempo indicado por el terapeuta para iniciar la trayectoria de extensión de rodilla derecha e izquierda.

4. Sistema, según la reivindicación 1 y 3, en el que el controlador del sistema está adaptado además para llevar a cabo un proceso de calibración para personalizar la detección del gesto de empuje de cadera para cada usuario, mediante la variación del umbral de velocidad angular predefinido, basándose en la activación manual de los pulsadores izquierdo y derecho (16) y en las lecturas de la velocidad angular de los segmentos del muslo o de la pierna, de tal manera que el momento de inicio de una trayectoria de flexión-extensión de la rodilla coincide sustancialmente con el momento indicado por el terapeuta.

5. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además sensores de orientación, dispuestos para medir el ángulo de cada segmento de muslo o de pierna con respecto a la vertical al suelo, y en el que opcionalmente el sistema comprende además como mínimo una unidad de medición inercial, IMU, alojada en el interior de los segmentos de muslo (3, 3’), para medir la aceleración, la velocidad angular y el ángulo absoluto de orientación de los segmentos de muslo (3, 3’).

6. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el controlador del sistema está adaptado además para realizar un control de seguridad para habilitar o deshabilitar el funcionamiento de las articulaciones de rodilla motorizadas (4, 4’) para balancear la pierna de un usuario, y en el que el controlador del sistema está adaptado además para calcular la diferencia entre los ángulos de ambos segmentos de muslo (3, 3’) o pierna (2, 2’) con respecto a la vertical, de tal manera que solo cuando esa diferencia es mayor que un umbral de seguridad predefinido y durante más de un tiempo predefinido que opcionalmente puede ser cero, el controlador del sistema habilita el funcionamiento de las articulaciones de rodilla motorizadas (4, 4’) para balancear la pierna de un usuario hacia adelante.

7. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las articulaciones de rodilla motorizadas (4, 4’) están adaptadas para obtener lecturas de ángulos de flexión entre los segmentos de pierna y de muslo a los que están conectadas, y en el que opcionalmente el controlador del sistema está adaptado adicionalmente para calcular la diferencia entre la orientación angular entre ambos segmentos de la pierna (2, 2 ’), como la suma de la orientación angular de cada segmento de muslo y la flexión de la articulación de rodilla motorizada.

8. Sistema, según la reivindicación 7, en el que el controlador del sistema está adaptado adicionalmente para deshabilitar el funcionamiento de las articulaciones de rodilla motorizadas (4, 4’) para balancear la pierna de un usuario hacia adelante, cuando cualquiera de las articulaciones de rodilla motorizadas (4, 4’) está ejecutando un movimiento de paso.

9. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el par de articulaciones de cadera (6, 6’) son: articulaciones pasivas o articulaciones activas, y en el que opcionalmente el par de articulaciones de cadera (6, 6’) son articulaciones pasivas, que permiten un movimiento relativo de flexión y extensión libre entre los segmentos de muslo (3, 3’) y el segmento lumbar (5), y limitan la abducción-aducción de cadera y la rotación interna-externa de cadera.

10. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el par de segmentos de planta del pie (7, 7’) están conectados respectivamente con los segmentos de pierna (2, 2’) mediante una articulación pasiva o mediante una articulación fija que obliga a la articulación del tobillo a permanecer fija en su configuración anatómica para impedir el movimiento del tobillo del usuario.

11. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la posición de los segmentos de la planta del pie (7, 7’) es ajustable longitudinalmente con respecto a los segmentos de pierna (2, 2’), la longitud de los segmentos del muslo (3, 3’) y de los segmentos de pierna (2, 2’), y el ancho del segmento lumbar es ajustable telescópicamente, y/o en el que la posición de cada ajuste puede ser cambiada manualmente por medio de clavijas de bloqueo de liberación rápida.

12. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el controlador del sistema está adaptado para accionar una articulación de rodilla motorizada (4, 4’) para mantener la pierna de un usuario recta cuando se detecta que el pie está en contacto con el suelo.

13. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además cinco módulos acoplables, a saber: un módulo lumbar (11), formado por el segmento lumbar (5) y las articulaciones libres pasivas (6, 6’), cada uno acoplado a un extremo del segmento lumbar (5), módulos de pierna izquierda y derecha (12, 12’), cada uno incluyendo un segmento de muslo (3, 3’), un segmento de pierna (2, 2’) y una articulación de rodilla motorizada (4, 4’), y módulos de pie izquierdo y derecho (13, 13’), cada uno incluyendo un segmento de pie (7, 7’) y una barra (10, 10’), y en el que opcionalmente el sistema comprende además medios de conexión rápida para acoplar los módulos entre sí, y en el que los medios de conexión rápida para conectar el módulo lumbar con los módulos izquierdo y derecho, incluyen una conexión eléctrica.

14. Sistema, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el segmento lumbar tiene una carcasa (15) con un componente de batería y una Unidad de Control Electrónico, ECU, ambos alojados en el interior de la carcasa (15), y en el que opcionalmente la carcasa (15) tiene un par de elementos de sujeción para que un terapeuta ayude a un usuario a mantener el equilibrio, y botones pulsadores (16) asociados a la Unidad de Control Electrónico, ECU, y en el que opcionalmente el módulo lumbar (11) incluye un cinturón o correa (17) para sujetarlo a la zona lumbar del usuario.