Un brazo robótico (100) para controlar el movimiento del brazo de un usuario,

y constituido por una cadena cinemática que en su zona distal comprende un soporte (190) para posicionar la mano del usuario, y caracterizada porque dicha cadena cinemática posee redundancia en dicha zona distal, de forma que el movimiento de la mano del usuario puede ser desacoplado del movimiento del resto de las partes de la cadena cinemática

Brazo robótico.

La presente invención se relaciona con un brazo robótico y más específicamente con un brazo robótico para utilizarse en tareas de rehabilitación motora de miembros superiores.

Estado de la técnica

En la rehabilitación motora de miembros superiores, el paciente o usuario ejercita sus brazos con la finalidad de mejorar o recuperar control sobre los mismos. Está técnica se utiliza principalmente en pacientes que han sufrido una parálisis parcial. La parálisis parcial puede estar ocasionada por múltiples causas comunes: esclerosis múltiple, un tumor o un accidente. La causa más común de la parálisis parcial es el infarto. Los pacientes afectados por parálisis parcial pueden beneficiarse de la rehabilitación motora en la que un fisioterapeuta sujeta el brazo del paciente y le provoca un movimiento repetitivo. Dentro de la rehabilitación motora existen varios métodos de tratamiento. La Facilitación Propioceptiva Neuromuscular (FNP) es uno de ellos, y consiste en la estimulación de los sensores propioceptivos del paciente. Es posible para un paciente re-entrenar su cerebro para realizar ciertos movimientos, y de esta forma obtener control sobre dichos movimientos y sobre sus brazos. Los mejores resultados en la aplicación de este método se obtienen cuando el movimiento es repetitivo y se realiza por lo menos en doble sesión de 45 minutos durante un mes. Como es obvio, no siempre es posible dar este nivel de asistencia y cuidado a todos los pacientes durante este largo periodo.

Los robots han sido desarrollados para ayudar en esta terapia. El brazo del paciente es colocado y sujetado en el extremo final de un brazo robótico que realiza el movimiento determinado provocando el movimiento conjunto del brazo del paciente. Un ejemplo de un robot de este tipo es el descrito en WO 2006/058442, donde se presenta un sistema compuesto por varias unidades. La primera y segunda unidades determinan la posición del módulo superior de rotación del brazo, sobre el que se fija el brazo del paciente. El modulo superior de rotación del brazo es una estructura de dos piezas, y soporta una tercera unidad de rotación para el antebrazo. El módulo de rotación del brazo superior se une a un módulo de rotación de la muñeca a través de un módulo de rotación para el codo, el cual puede ser rotado y ubicado sobre el brazo del paciente de forma similar a la fijación del módulo de rotación del brazo superior.

Aunque este sistema permite realizar diferentes movimientos en el brazo del paciente, es deseable una mejora que permita la realización de más movimientos y que se adapte mejor a la morfología del brazo del paciente. Por otra parte, se requiere un mejor control de fuerzas y movimientos producidos por el robot. Finalmente, la comodidad para el paciente y para el fisioterapeuta debe mejorarse. La presente invención logra la mejora de estos aspectos en al menos algunas de estos aspectos. El objetivo se logra con el brazo robótico reivindicado en la reivindicación 1.

Descripción de la invención

En un primer aspecto, la invención proporciona un brazo robótico (100) para el control del movimiento del brazo de un usuario, que forma una cadena cinemática que se extiende desde un extremo proximal a un extremo distal y que comprende un soporte (190) para posicionar la mano del usuario en dicho extremo distal, caracterizado por el hecho de que dicha cadena cinemática posee al menos una redundancia cinemática en una zona distal de forma que el movimiento de la mano del usuario puede ser desacoplado del movimiento de las otras partes de la cadena cinemática.

El paciente ubica su mano en el soporte colocado en el extremo distal. En este módulo, la redundancia cinemática diseñada permite independizar las sub-cadenas, lo que quiere decir que el robot puede mover toda su cadena cinemática, excepto el módulo donde se ubica la mano del paciente, mientras este módulo permanece sin movimiento. Esta característica representa una importante mejora en el confort y seguridad del paciente y del fisioterapeuta. Si debe realizarse un determinado movimiento, la cadena cinemática del robot puede moverse independientemente, permitiendo evitar colisiones y situaciones incómodas para el fisioterapeuta. Por otra parte, el paciente no necesita cambiar su posición u orientación y es el brazo robot el que se adapta a la ubicación de la mano del paciente.

Preferentemente, la cadena cinemática del brazo robótico está constituida por al menos siete grados de libertad, de forma que el brazo robótico puede realizar todas las traslaciones y rotaciones dentro de su espacio de trabajo. Seis grados de libertad se utilizan para evolucionar dentro del espacio de trabajo, y el séptimo grado de libertad proporciona la redundancia de la región distal de la cadena cinemática. Naturalmente, la cadena cinemática puede disponer de más de siete grados de libertad, lo que proporciona una redundancia extra. Opcionalmente, ésta cadena cinemática está formada por siete módulos, cada uno de los cuales tiene un grado de libertad rotacional respecto al anterior.

Preferentemente, el brazo robótico de esta invención comprendes actuadores basados en músculos artificiales. Los actuadores basados en músculos artificiales poseen la importante ventaja de poder controlarse en fuerza, es decir, se controla la fuerza que ejercen, no la posición que adoptan. Esto es una ventaja debido a la interacción hombre-máquina entre el brazo robótico y el brazo del paciente, las fuerzas y cargas observadas por el paciente son más importantes que la posición donde llegue el brazo del paciente. Los programas de entrenamiento basados en FNP comprenden generalmente ejercicios de movimientos libres activos, movimientos asistidos activos, movimientos resistivos activos y movimientos pasivos. Particularmente, en el caso de los movimientos resistivos activos, la resistencia observada por el paciente es más fácilmente controlable mediante actuadores con control de fuerza. Naturalmente, una fuerza aplicada en un músculo artificial se traduce en su correspondiente movimiento del eslabón de la cadena cinemática.

Opcionalmente, estos músculos artificiales pueden ser músculos artificiales neumáticos. Los músculos neumáticos son actuadores muy ligeros y con comportamiento lineal controlado mediante la presión: cuando una fuerza externa adicional actúa sobre el músculo, éste no incrementa su fuerza ejercida, sino modifica su posición. Alternativamente, otros músculos artificiales, como polímeros electroactivos, pueden ser utilizados como actuadores.

Preferentemente, estos actuadores basados en músculos artificiales se utilizan en una configuración antagonista/agonista para el control de los movimientos de la articulación rotacional. La cadena cinemática está formada por un número de eslabones conectados mediante articulaciones. Para mover una articulación (y por tanto modificar la posición de los eslabones aguas debajo de la cadena cinemática), se utilizan los músculos artificiales. Cuando se actúa sobre un músculo neumático, éste se contrae axialmente, y una fuerza se aplica a la carga conectada al músculo. El músculo artificial sólo puede ejercer fuerza en un sentido. Para lograr el movimiento de la articulación en ambos sentidos, se utiliza la configuración antagonista/agonista, de forma que cuando se activa un músculo se obtiene movimiento en un sentido, y cuando se activa el otro músculo, se obtiene movimiento en el otro sentido.

Preferentemente, el soporte para ubicar la mano del paciente comprende un mecanismo para la flexión y extensión de los dedos del paciente. De esta forma, además de controlar, provocar o guiar los movimientos de la mano del paciente, los dedos del mismo pueden ser controlados en flexión o extensión. De esta manera, los programas de entrenamiento de FNP que comprenden flexión/extensión de las falanges, pueden realizarse.

Preferentemente, el brazo robótico de la invención comprende una pluralidad de sensores para medida de la posición y fuerzas de la cadena cinemática, y un sistema para registrar y almacenar los datos proporcionados por dichos sensores. Estos sensores pueden ubicarse en las localizaciones idóneas, en las articulaciones para los sensores de posición y en cada músculo y en el extremo distal para la medición de fuerzas. Cuando se produce el movimiento del brazo del paciente por acción del fisioterapeuta, o por él mismo, las posiciones y fuerzas que intervienen son medidas y registradas. De esta forma, el sistema puede repetir el movimiento sin la asistencia del paciente o del...

1. Un brazo robótico (100) para el control del movimiento del brazo de un usuario, que forma una cadena cinemática que se extiende desde un extremo proximal a un extremo distal y que comprende un soporte (190) para posicionar la mano del usuario en dicho extremo distal, caracterizado por el hecho de que dicha cadena cinemática posee al menos una redundancia cinemática en una zona distal de forma que el movimiento de la mano del usuario puede ser desacoplado del movimiento de las otras partes de la cadena cinemática.

2. Un brazo robótico de acuerdo a la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que su cadena cinemática posee al menos siete grados de libertad, de forma que el brazo robótico puede realizar todas las traslaciones y rotaciones en su espacio de trabajo.

3. Un brazo robótico de acuerdo a las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por el hecho de que su cadena cinemática comprende siete módulos (110,120,130,140,150,160,170), cada uno de los cuales es capaz de producir una rotación del siguiente módulo.

4. Un brazo robótico de acuerdo a la reivindicación anterior, caracterizado por el hecho de que dispone de actuadores basados en músculos artificiales (111,112,121,122,131,132,141,142,151,152,161,162,171,172).

5. Un brazo robótico de acuerdo a la reivindicación 4, caracterizado por el hecho de que dichos actuadores músculos artificiales son músculos neumáticos artificiales.

6. Un brazo robótico de acuerdo a las reivindicaciones 4 y 5, caracterizado por el hecho de que sus actuadores músculos artificiales son utilizados en un esquema antagonista/agonista para controlar el movimiento de una articulación en ambos sentidos.

7. Un brazo robótico de acuerdo a la anterior reivindicación, caracterizado por el hecho de que en el soporte (190) para posicionar la mano del usuario se encuentra un sistema (192,193) para la flexión y extensión de las falanges y pulgar del usuario.

8. Un brazo robótico de acuerdo a la reivindicación anterior, caracterizado por el hecho de que incluye una pluralidad de sensores para medir las posiciones y cargas en el brazo robótico y un sistema para registrar y almacenar los datos proporcionados por dichos sensores.

9. Un brazo robótico de acuerdo a la reivindicación 8, caracterizado por el hecho de que dispone de un sensor capaz de medir los pares en tres ejes ortogonales y las fuerzas en la dirección de esos ejes, en la interfaz hombre-máquina en el soporte (190) para la mano.

10. Un sistema (300) para la rehabilitación de miembros superiores que comprende un brazo robótico (100) según cualquier de las reivindicaciones anteriores y un segundo brazo robótico (200) para controlar el movimiento del codo del usuario.

11. Un sistema para rehabilitación de miembros superiores según la reivindicación 10 caracterizado por el hecho de que dispone además de un módulo de realidad virtual para realización de los ejercicios.