Dispositivo y método para disminuir el consumo de oxígeno de una persona durante una marcha regular mediante el uso de un exoesqueleto de soporte de carga.

Un exoesqueleto (100) de extremidad inferior, que puede configurarse para acoplarse a una persona, comprendiendo dicho exoesqueleto de extremidad inferior, entre otras cosas:

un tronco

(109) del exoesqueleto adaptado para acoplarse a un cuerpo superior de dicho usuario; primeros y segundos soportes de pierna (101, 102) incluyendo cada uno un enlace de muslo (103, 104) respectivo conectado de manera rotativa con el tronco del exoesqueleto, en el que los primeros y segundos soportes de pierna se adaptan para acoplarse a las extremidades inferiores de dicho usuario y para descansar en el suelo en una fase de posicionamiento y para moverse con respecto al suelo en una fase de balanceo;

primeros y segundos accionadores de cadera (145, 146) configurados para crear pares de torsión entre dicho tronco (109) del exoesqueleto y dichos primeros y segundos soportes de pierna respectivamente; y al menos una unidad de energía (201), capaz de proporcionar energía a dichos accionadores de cadera, entre otros componentes, caracterizada por que, durante cada ciclo de una marcha regular, dicha unidad de energía se configura para activar dichos accionadores de cadera de la siguiente manera:

a) cuando dicho primer soporte de pierna entra en la fase de posicionamiento, dicho accionador de cadera de dicho primer soporte de pierna crea rápidamente un primer par de torsión unidireccional que actúa para mover dicha primera pierna del exoesqueleto hacia atrás con respecto a dicho tronco del exoesqueleto y, por tanto, empujar dicho tronco del exoesqueleto hacia delante hasta que dicho segundo soporte de pierna golpea el suelo, y

b) cuando dicho segundo soporte de pierna entra en la fase de posicionamiento, dicho accionador de cadera de dicho segundo soporte de pierna crea rápidamente dicho primer par de torsión unidireccional y dicho accionador de cadera de dicho primer soporte de pierna crea rápidamente un segundo par de torsión unidireccional que actúa en una dirección para mover dicho primer soporte de pierna hacia delante con respecto a dicho tronco del exoesqueleto hasta que dicho primer soporte de pierna abandona el suelo.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/US2009/044520.

Solicitante: THE REGENTS OF THE UNIVERSITY OF CALIFORNIA.

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: 6147 Etcheverry Hall Berkeley, CA 94720 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.

Inventor/es: ANGOLD,RUSSDON, KAZEROONI,HOMAYOON, AMUNDSON,KURT, HARDING,NATHAN.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION A — NECESIDADES CORRIENTES DE LA VIDA > CIENCIAS MEDICAS O VETERINARIAS; HIGIENE > FILTROS IMPLANTABLES EN LOS VASOS SANGUINEOS; PROTESIS;... > Procedimientos o aparatos ortopédicos para el tratamiento... > A61F5/01 (Dispositivos ortopédicos, p. ej. dispositivos para inmovilizar o para ejercer presiones de forma duradera para el tratamiento de los huesos fracturados o deformados, tales como férulas, yesos ortopédicos o bragueros/tirantes)
  • SECCION A — NECESIDADES CORRIENTES DE LA VIDA > CIENCIAS MEDICAS O VETERINARIAS; HIGIENE > MEDIOS DE TRANSPORTE, MEDIOS DE TRANSPORTE PERSONALES... > A61G15/00 (Sillas para operar; Sillones de dentista; Accessorios especialmente adaptados al efecto, p. ej. muebles de trabajo)

PDF original: ES-2549004_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Dispositivo y método para disminuir el consumo de oxígeno de una persona durante una marcha regular mediante el uso de un exoesqueleto de soporte de carga

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Campo de la Invención La presente invención se refiere generalmente al campo de los exoesqueletos de extremidad inferior y, más específicamente, al campo de los exoesqueletos de extremidad inferior que disminuyen el consumo de oxígeno y el ritmo cardiaco del portador.

Análisis de la técnica anterior En una amplia variedad de situaciones, la gente de capacidad ordinaria consume a menudo una gran cantidad de oxígeno cuando camina o soporta una carga. Ciertamente, el consumo de oxígeno y el ritmo cardiaco de una persona variará dependiendo de la cantidad de esfuerzo físico. En un trabajo titulado, "A QUASI-PASSIVE LEG EXOSKELETON FOR LOAD-CARRYING AUGMENTATION", International Journal of Humanoid Robotics, 2007, los autores reclaman haber desarrollado un exoesqueleto cuasi pasivo que incrementa en un 10 %, el coste de transporte (COT) metabólico al andar, en comparación con una mochila estándar cargada, mientras que se afirma también que se halló que un exoesqueleto similar sin resorte de unión o control de amortiguación (exoesqueleto de impedancia cero) incrementó el COT un 23 %, en comparación con la mochila cargada estándar.

La provisión de un exoesqueleto cuasi pasivo, tal como se ha divulgado en la técnica anterior, se considera que afecta negativamente a determinados parámetros cardiovasculares y otros parámetros fisiológicos de un usuario. Por tanto, todavía existen oportunidades para proporcionar un dispositivo de exoesqueleto compacto, fácil de manejar, rápido, y de uso general, particularmente un dispositivo de exoesqueleto tal que disminuirá de manera significativa el consumo de oxígeno y el ritmo cardiaco de una persona mientras que el dispositivo se lleva puesto.

El documento US 2007/123997 (A1) divulga un exoesqueleto que lleva puesto un usuario humano. El exoesqueleto comprende, en combinación, un arnés pélvico rígido que se lleva alrededor de la cintura del usuario y primeras y segundas estructuras de pierna del exoesqueleto. Cada estructura de pierna se extiende hacia abajo a lo largo de una de las piernas del usuario humano y comprende:

una articulación de cadera para unir dicha estructura de pierna en su extremo superior con dicho arnés pélvico, una articulación de rodilla, un miembro de muslo que se extiende desde dicha articulación de cadera hasta dicha articulación de rodilla, estando unido dicho miembro de muslo al muslo del usuario humano, un miembro de pie unido a un zapato que lleva dicho usuario humano, un miembro de espinilla que se extiende desde dicha articulación de rodilla hasta dicho miembro de pie, estando unido dicho miembro de espinilla a dicho miembro de pie mediante una articulación de tobillo, un resorte pasivo o un accionador activo ubicado en dicha articulación de cadera para aplicar una fuerza motriz para rotar dicho miembro de muslo con respecto a dicho arnés pélvico para ayudar en la elevación de dicho exoesqueleto y dicho usuario humano con respecto a la superficie de suelo sobre la que el usuario está andando y para impulsar el exoesqueleto y al usuario humano hacia delante, un amortiguador controlable conectado de manera operativa a dicha articulación de rodilla para detener el movimiento relativo de dicho miembro de espinilla y dicho miembro de muslo en tiempos controlables, y un resorte ubicado en dicho miembro de pie o dicha articulación de tobillo para almacenar y liberar energía durante la marcha.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención se proporcional exoesqueleto de extremidad inferior de la reivindicación 1.

De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención se proporcional método de utilización del dispositivo de exoesqueleto reivindicado en la reivindicación 9.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Estas y otras características, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor cuando la siguiente descripción detallada se lea en referencia a los dibujos juntos, en los que los caracteres similares representan partes similares a través de los dibujos, en los que:

La Figura 1 es un dibujo en perspectiva delantera de un exoesqueleto de la presente invención que incluye accionadores de cadera; La Figura 2 es un dibujo en perspectiva trasera del exoesqueleto de la Figura 1; La Figura 3 es un diagrama de perfiles de par de torsión para los accionadores de cadera de la Figura 1

durante un ciclo de marcha; La Figura 4 es un gráfico del par de torsión total de los accionadores de cadera de la Figura 1 a lo largo del tiempo durante un ciclo de marcha; La Figura es un gráfico del par de torsión de cadera humana (movimiento de articulación relativo al porcentaje de tiempo de ciclo) durante un movimiento de extensión de cadera; La Figura 6 es un dibujo esquemático de una unidad de energía de la presente invención; La Figura 7 es un dibujo esquemático de una unidad de energía alternativa de la presente invención que incluye una válvula restrictiva de flujo; La Figura 8 es un dibujo esquemático de una unidad de energía alternativa de la presente invención que incluye una válvula de triple paso; La Figura 9 es un dibujo en perspectiva de un exoesqueleto alternativo de la presente invención que incluye sensores de posicionamiento en comunicación con un procesador de señales; La Figura es un dibujo en perspectiva de un exoesqueleto alternativo de la presente invención que incluye un elemento elástico de cadera; La Figura 11 es un dibujo en perspectiva de un exoesqueleto alternativo de la presente invención que incluye un soporte de conexión para soportar una carga trasera; La Figura 12 es un dibujo en perspectiva de un exoesqueleto alternativo de la presente invención que incluye armazones de extensión para soportar una carga delantera; La Figura 13 es un dibujo en perspectiva de un exoesqueleto alternativo de la presente invención que incluye un tope de abducción de cadera; La Figura 14 es un dibujo en perspectiva de un exoesqueleto alternativo de la presente invención que incluye un elemento elástico de cadera en la forma de una ballesta; La Figura es un dibujo en perspectiva de un exoesqueleto alternativo de la presente invención que incluye dos elementos elásticos de cadera; La Figura 16 es un dibujo en perspectiva de un exoesqueleto alternativo de la presente invención que incluye dos articulaciones de cadera; La Figura 17 es un dibujo en perspectiva de un exoesqueleto alternativo de la presente invención que incluye un armazón de mochila; La Figura 18 es un dibujo en perspectiva de un exoesqueleto alternativo de la presente invención que incluye dos elementos elásticos de cadera y pies del exoesqueleto; La Figura 19 es una vista parcial del exoesqueleto de la Figura 18, que muestra detalles de la articulación del muslo; La Figura es una vista parcial del exoesqueleto de la Figura 18, que muestra detalles de un mecanismo de compresión-alargamiento; La Figura 21 es un dibujo en perspectiva de un exoesqueleto alternativo de la presente invención que incluye zapatos; La Figura 22 es un dibujo en perspectiva de un exoesqueleto alternativo de la presente invención que incluye plantillas; La Figura 23 es una vista parcial de un pie del exoesqueleto de la Figura 18 que incluye una articulación esférica; La Figura 24 es un dibujo en perspectiva de un pie alternativo del exoesqueleto de la presente invención que incluye elementos elásticos; La Figura es un dibujo en perspectiva de un pie alternativo del exoesqueleto de la presente invención que incluye un elemento elástico de abducción-aducción; La Figura 26 es un dibujo en perspectiva de un pie alternativo del exoesqueleto... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un exoesqueleto (100) de extremidad inferior, que puede configurarse para acoplarse a una persona, comprendiendo dicho exoesqueleto de extremidad inferior, entre otras cosas:

un tronco (109) del exoesqueleto adaptado para acoplarse a un cuerpo superior de dicho usuario; primeros y segundos soportes de pierna (101, 102) incluyendo cada uno un enlace de muslo (103, 104) respectivo conectado de manera rotativa con el tronco del exoesqueleto, en el que los primeros y segundos soportes de pierna se adaptan para acoplarse a las extremidades inferiores de dicho usuario y para descansar en el suelo en una fase de posicionamiento y para moverse con respecto al suelo en una fase de balanceo; primeros y segundos accionadores de cadera (145, 146) configurados para crear pares de torsión entre dicho tronco (109) del exoesqueleto y dichos primeros y segundos soportes de pierna respectivamente; y al menos una unidad de energía (201) , capaz de proporcionar energía a dichos accionadores de cadera, entre otros componentes, caracterizada por que, durante cada ciclo de una marcha regular, dicha unidad de energía se configura para activar dichos accionadores de cadera de la siguiente manera:

a) cuando dicho primer soporte de pierna entra en la fase de posicionamiento, dicho accionador de cadera de dicho primer soporte de pierna crea rápidamente un primer par de torsión unidireccional que actúa para mover dicha primera pierna del exoesqueleto hacia atrás con respecto a dicho tronco del exoesqueleto y, por tanto, empujar dicho tronco del exoesqueleto hacia delante hasta que dicho segundo soporte de pierna golpea el suelo, y b) cuando dicho segundo soporte de pierna entra en la fase de posicionamiento, dicho accionador de cadera de dicho segundo soporte de pierna crea rápidamente dicho primer par de torsión unidireccional y dicho accionador de cadera de dicho primer soporte de pierna crea rápidamente un segundo par de torsión unidireccional que actúa en una dirección para mover dicho primer soporte de pierna hacia delante con respecto a dicho tronco del exoesqueleto hasta que dicho primer soporte de pierna abandona el suelo.

2. El exoesqueleto de extremidad inferior de la reivindicación 1, en el que dicho primer par de torsión unidireccional es generalmente constante y/o dicho segundo par de torsión unidireccional es generalmente constante.

3. El exoesqueleto de extremidad inferior de la reivindicación 1, en el que cuando dicho primer soporte de pierna (101, 102) abandona dicho suelo y entra en su fase de balanceo, dicho accionador de cadera (145, 146) de dicho primer soporte de pierna crea un par de torsión de balanceo que actúa en una dirección para mover dicho primer

soporte de pierna hacia delante con respecto a dicho tronco (109) del exoesqueleto.

4. El exoesqueleto de extremidad inferior de la reivindicación 1, en el que la suma de los pares de torsión desde dichos accionadores de cadera (145, 146) sobre dicho tronco (109) del exoesqueleto actúa en la dirección de la extensión de cadera en todo momento.

5. El exoesqueleto de extremidad inferior de la reivindicación 4, en el que la suma de los pares de torsión desde dichos accionadores de cadera (145, 146) sobre dicho tronco (109) del exoesqueleto es generalmente constante.

6. El exoesqueleto de extremidad inferior de la reivindicación 3, en el que dicho par de torsión de balanceo es igual a 45 dicho segundo par de torsión unidireccional.

7. El exoesqueleto de extremidad inferior de la reivindicación 3, en el que la magnitud de dicho par de torsión de balanceo disminuye durante el periodo de balanceo hasta que dicho par de torsión de balanceo cambia de dirección en un balanceo tardío.

8. El exoesqueleto de extremidad inferior de la reivindicación 1, que comprende además al menos un sensor de posicionamiento (160, 162) por cada uno de dichos soportes de pierna (101, 102) , lo que produce una señal de posicionamiento (219, 220) que indica si dicho soporte de pierna se encuentra en la fase de posicionamiento.

9. Un método de reducción de consumo de oxígeno de una persona durante un ciclo de marcha utilizando un dispositivo de exoesqueleto (100) , adaptado para acoplarse a dicha persona, incluyendo al menos una unidad de energía (201) , primeros y segundos soportes de pierna (101, 102) conectados de manera rotativa a un tronco (109) del exoesqueleto y configurados para descansar en el suelo durante sus fases de posicionamiento, y primeros y segundos accionadores de cadera (145, 146) configurados para crear pares de torsión entre dicho tronco del exoesqueleto y dichos primeros y segundos soportes de pierna respectivamente, comprendiendo dicho método:

crear un primer par de torsión unidireccional utilizando dicho primer accionador de cadera, cuando dicho primer soporte de pierna golpea el suelo y entra en la fase de posicionamiento, para mover dicho primer soporte de pierna en la fase de posicionamiento hacia atrás con respecto a dicho tronco del exoesqueleto 65 empujando por tanto el tronco del exoesqueleto en una dirección hacia delante hasta que dicho segundo soporte de pierna en la fase de balanceo golpea la superficie de soporte;

crear un segundo par de torsión unidireccional utilizando dicho primer accionador de cadera, cuando dicho segundo soporte de pierna golpea el suelo y entra en la fase de posicionamiento, para mover dicho primer soporte de pierna en la fase de posicionamiento hacia delante hasta que dicho primer soporte de pierna abandona el suelo y mover dicho primer soporte de pierna a la fase de balanceo.

10. El método de la reivindicación 9, en el que mover dicho primer soporte de pierna (101, 102) a la fase de balanceo comprende crear un par de torsión de balanceo, utilizando el primer accionador de cadera (145, 146) , que actúa en una dirección para mover dicho primer soporte de pierna hacia delante con respecto a dicho tronco (109)

del exoesqueleto.

11. El método de la reivindicación 10, en el que dicho par de torsión de balanceo es igual a dicho segundo par de torsión unidireccional.

12. El método de la reivindicación 9, en el que la suma de los pares de torsión desde dichos accionadores de cadera (145, 146) sobre dicho tronco (109) del exoesqueleto actúa en la dirección de la extensión de cadera en todo momento.

13. El método de la reivindicación 12, en el que la suma de los pares de torsión desde dichos accionadores de 20 cadera (145, 146) sobre dicho tronco (109) del exoesqueleto es generalmente constante.

14. El método de la reivindicación 10, en el que dicho par de torsión de balanceo es igual a dicho segundo par de torsión unidireccional.

15. El método de la reivindicación 10, en el que la magnitud de dicho par de torsión de balanceo disminuye durante el periodo de balanceo hasta que dicho par de torsión de balanceo cambia de dirección en un balanceo tardío.