Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano.

Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano.

La invención se refiere a un exoesqueleto robotizado que permite al usuario moverse cómodamente y realizar terapias médicas, fuerzas del tipo ortésico asistidas, actividades relacionadas con prácticas deportivas o entrenamientos especializados que requieran secuencias de movimientos, tareas cotidianas, o servicios de bomberos, policía, militares, etc. asistidos en fuerza por el exo-esqueleto.

El sistema está formado por un chaleco (1), al cual están adosados el exo-brazo (8), el exo-antebrazo (7), una estructura de soporte (2, 3, 4, 5), con partes deslizantes (5, 31) y bisagras (10) actuados, que permite efectuar un seguimiento de los desplazamientos del hombro respecto al cuerpo y ofrece un sólido punto de apoyo móvil además de un sistema pasivo de compensación del peso mediante husillos (22), con actuadores de potencia (9) que permiten mover de manera controlada el brazo articulado. El dispositivo comprende igualmente un sistema de alimentación (11) autónomo y una unidad de control.

EXOESQUELETO ROBOTIZADO CON SOPORTE DE CODO DESLIZANTE AUTOAJUSTABLE PARA BRAZO HUMANO

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se engloba dentro del campo de la medicina de rehabilitación, equipos de entrenamiento deportivo, robótica militar y robots asistenciales. En concreto, la invención se refiere al diseño de un exoesqueleto que se puede 10 superponer al brazo de una persona para proporcionarle asistencia en rehabilitación, en entrenamiento deportivo, en aplicaciones militares o en la vida diaria, como ayuda para mover los brazos, según patrones de movimiento destinados a conseguir su rehabilitación, entrenamiento, la ejecución de los movimientos específicos de una disciplina, o los movimientos diarios más frecuentes. También es apropiado para uso 15 militar, o civil en grupos como el policial o el de bomberos que puedan requerir aporte de fuerza y protección del cuerpo.

El objeto de la invención es proporcionar un exoesqueleto robotizado para permitir su utilización en diferentes aplicaciones, con gran movilidad, con la disposición de solo 20 cinco actuadores, consiguiendo un seguimiento correcto del movimiento del hombro y de los desplazamientos del codo sobre la estructura de soporte que hace posible ejercer grandes fuerzas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En la actualidad, los robots de rehabilitación que existen en el mercado internacional son de gran peso y tamaño y se encuentran anclados a una silla, al suelo o a una pared. Su apariencia es la de un robot industrial junto al usuario que suele estar 30 sentado. El paciente no se puede desplazar.

Los robots existentes de tipo exoesqueleto se dedican esencialmente a tres funciones: aumentar la fuerza del brazo, hacer rehabilitación o controlar otros dispositivos. La mayoría de los modelos conocidos presentan grandes estructuras mecánicas y 35

disponen de grandes actuadores de potencia para moverlas. Algunos son robots de cuerpo completo para poder soportar el peso del robot. Las versiones que sólo cubren la parte superior del cuerpo, normalmente son el "elemento maestro" que permite controlar a un "robot esclavo" y sólo son utilizables por personas sanas y para este fin.

Las principales deficiencias o desventajas y problemas no resueltos de estos modelos son:

- Gran volumen: Dificulta la movilidad en los entornos humanos e impide llevarlo a casa o emplearlo en actividades diarias del usuario.

- Gran peso: Un exoesqueleto pesado no es apto para pacientes que tienen los 10 músculos débiles o personas mayores y es incomodo para el resto.

- Apariencia industrial: Un robot grande atemoriza. Además estigmatiza a su usuario. Su aspecto imposibilita su uso diario en los entornos en que la persona se mueve habitualmente.

- Complejidad: Los elementos de alta precisión, materiales caros, y mecanismos 15 complejos impiden su aplicación doméstica. El reto es conseguir una solución eficaz y sencilla.

- Articulación del hombro: Casi todos los sistemas robóticos tratan el hombro como una junta esférica de tres grados de libertad, pero en realidad su comportamiento no es este. El hombro no mantiene una posición fija ni un eje o 20 centro del giro fijo. Se desplaza arriba - abajo y delante - detrás, cambiando así el centro de giro durante los movimientos.

- Ninguno es capaz de seguir el movimiento del brazo y antebrazo acompañándolo y sin forzarlo. Esto tiene especial interés en pacientes con dolor y en militares, bomberos, etc, que podrían requerir protección del brazo 25 mientras lo mueven en un entorno hostil.

Los exoesqueletos existentes son estructuras que se sitúan cerca del brazo, sin envolverlo ni acompañarlo en su movimiento, pues no son capaces de seguir los movimientos del mismo. La razón fundamental es la complejidad del movimiento de la 30 mayoría de las articulaciones humanas, y en particular de la del hombro que presenta 6 grados de libertad (3 de posición y 3 de orientación) y condiciona el movimiento de las restantes partes del brazo.

Al elevar el brazo el hombro produce no sólo aumento del ángulo entre el cuerpo y el brazo, sino desplazamiento vertical de la articulación y en ciertos momentos desviación del eje de giro de la articulación. Este tipo de desplazamientos del eje de giro del hombro se produce en las tres dimensiones del espacio por lo que el movimiento del hombro tiene 6 grados de libertad y no tres como podría parecer a 5 simple vista.

Por esta razón, si se quisiera hacer un exoesqueleto que sujete el brazo y el antebrazo o que los envuelva tendría que resolver un problema en la articulación del hombro. En el presente diseño el asunto se afronta dando una movilidad extra al codo que es 10 dependiente de la articulación del hombro humano, para resolver indirectamente el problema generado por este último.

En primer lugar hay que aclarar por qué tiene interés envolver el brazo y antebrazo y después las alternativas que podrían resultar válidas para conseguirlo. Algunas de las 15 razones son:

- Para repartir los esfuerzos mecánicos por el brazo: Por ejemplo, en rehabilitación de un hombro, brazo o antebrazo con dolor. Envolver brazo y antebrazo permite acomodar el brazo doloroso sobre soportes 20 debidamente acolchados y evita tensiones en las articulaciones. Además ayuda a distribuir las fuerzas de los accionamientos sobre toda la superficie de contacto del brazo con el exoesqueleto. En equipamiento militar haría más cómodo el uso y permitiría un mayor tiempo de utilización. 25

- Para conseguir mayor precisión en el movimiento: Los sistemas existentes no envuelven el brazo y antebrazo, entre otras razones, porque no son capaces de seguir su movimiento. Si se consiguiera envolver el brazo sin tracciones ni tensiones, el control del movimiento sería mucho mejor. Esta ventaja tendría especial valor en rehabilitación 30 y en entrenamiento de movimientos específicos (deporte, cirugía, ) .

- Para proteger el brazo: un exoesqueleto utilizado para suplir o complementar la fuerza de su usuario, podría actuar adicionalmente como armadura (uso militar) , protección antibala (policía) , o ignífuga

(uso civil- bomberos) , etc si es capaz de seguir razonablemente los movimientos de la extremidad sin forzarla.

En cuanto a las posibles maneras de envolver o acompañar el movimiento de brazo o antebrazo, dos soluciones parecen razonables: 5

- Separar por el hombro el exoesqueleto en dos partes: una correspondiente al brazo y otra que va acoplada al cuerpo. El movimiento de ambas debería ser independiente para dejar al hombro libre para realizar sus movimientos naturales. 10

- Manteniendo el brazo del exoesqueleto unido al cuerpo por el hombro, pero dotando a este de la capacidad de movimiento que necesita, para lo cual es necesario dar a la unión brazo-cuerpo los grados de libertad que el hombro requiere. Esto se puede conseguir trasladando parte de la complejidad del hombro al brazo y al codo. Para ello se permite que 15 el brazo y el codo se puedan desplazar radialmente para seguir los movimientos del hombro. Además, la rotación del hombro se traslada a la estructura del codo que a su vez se desplaza con el brazo auto-ajustándose según la elevación y avance del hombro en cada caso. Esta solución presenta ciertas ventajas como la de permitir el 20 seguimiento del hombro y facilitar la protección del brazo y antebrazo, sin forzar las articulaciones y la de proporcionar un punto de apoyo móvil y firme al brazo, lo que, a su vez, permite aplicar grandes fuerzas al exoesqueleto, . Nadie ha utilizado este sistema hasta ahora.

En 1995 Marc D. Taylor patentó (US5, 417, 643, referencia [2]) un soporte rudimentario para el brazo anclado a una silla en la que se coloca al usuario que permitía hacer ejercicios de elevación y rotación del brazo con fines de rehabilitación. Desde entonces ha habido una tendencia clara en diseño de robots de rehabilitación a situar al paciente en una silla de ruedas o fija y colocarlo junto al robot que moverá su brazo. 30 A este tipo de robots, que llamaremos "robots fijos", corresponden diseños como el divulgado en la patente US6, 007, 500 [8] de 1999, el divulgado en la referencia [9] de 2003, el ARMin, ARMin II, ARMin III de la universidad de Zurich [3] de 2007, o el robot de TSAI de la Universidad Nacional de Taiwan [4] del 2010.

En 1998, Mark E. Rosheim presentó una de las primeras patentes de exoesqueleto moderno, US5, 845, 540-B1 [6]. Se trata de un sistema maestro-esclavo en el cual un operador humano se coloca sobre el cuerpo el exoesqueleto y lo usa como joystick maestro para manejar un robot esclavo. A este tipo, "Exoesqueletos maestro-esclavo", corresponden el divulgado en la patente 5, 845, 540...

1ª. Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano, que comprende:

- una empuñadura con al menos un soporte semicircular (59) y un asidero o exo-muñeca (13) para situar la mano y movilizar la muñeca del usuario o permitir que esta ejerza control sobre el exoesqueleto;

- un exo-antebrazo (7) , unido a la exo-muñeca y encargado de soportar el antebrazo 10 del usuario;

- un exo-brazo (8) encargado de soportar el brazo del usuario, unida al exo-antebrazo (7) mediante una articulación móvil (6) para permitir el giro del codo del usuario;

- una unión del exo-brazo (8) con una estructura de soporte deslizante (2, 3, 4, 5) que permite el movimiento del brazo respecto al hombro y de este respecto al cuerpo;

- una pluralidad de actuadores de potencia (9) para actuar los elementos del exoesqueleto; 20

caracterizado por que comprende:

- una estructura de soporte (2, 3, 4, 5) , que une el exo-brazo (8) al tronco permitiendo el deslizamiento del brazo sobre ella, encargada de proporcionar la movilidad del brazo y 25 del hombro con respecto al tronco haciendo un seguimiento de los desplazamientos del hombro respecto al cuerpo, permitiendo un ajuste permanente del movimiento del codo respecto al cuerpo, que comprende al menos una estructura deslizante vertical (4) y una plataforma deslizante radial (31) sobre la que irá el sistema de articulación del codo o exo-codo (35) . 30

2ª. Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano, según la reivindicación 1ª, caracterizado por que incluye un sistema de compensación de gravedad que comprende al menos uno de los siguientes 35

elementos:

- un tornillo sin fin (22) actuado que soporta el brazo apoyándose en la estructura de soporte del exo-brazo (8) .

- un amortiguador inferior que soporte el brazo apoyándose en la estructura de soporte del exo-brazo (8) .

3ª. Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la 10 estructura de articulación del codo se desplaza sobre la estructura de soporte y permite tener el antebrazo y codo del usuario permanentemente ajustado al exo-antebrazo (7) y exo-codo (35) del robot, independientemente de la posición del hombro, brazo y codo.

4ª. Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que tanto el exo-antebrazo (7) como el exo-brazo (8) comprenden, para mantener el brazo del usuario sujeto al exoesqueleto, una pieza de apoyo con forma de semicilindro hueco que deja fácil acceso al brazo, unos acolchamientos que hacen cómodo el 20 espacio y unas fijaciones ajustables para sujetar el brazo o antebrazo.

5ª. Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la rotación del brazo en el hombro se efectúa mediante un actuador situado en el codo-25 deslizante, que se desplaza con este sobre la estructura de soporte.

6ª. Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la rotación de la muñeca se efectúa mediante la empuñadura (13) fijada sobre un 30 semicilindro hueco o exo-muñeca (59) cuyo actuador está situado en el exo-antebrazo (7) .

7ª. Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la 35

flexión del codo se efectúa mediante un actuador situado en el codo deslizante que se desplaza con él sobre la estructura de soporte.

8ª. Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que 5 comprende una serie de sensores (64 a 73) que permiten conocer la posición, velocidad y aceleración de cada una de las partes del exo-esqueleto, pudiendo algunos de dichos sensores materializarse en "encoders" o potenciómetros para medir el avance, la elevación y la flexión del codo, asi como la rotación del hombro, la elevación del hombro, la elevación del brazo, el avance de la plataforma deslizante 10 radial respecto a su guía, la rotación de la muñeca y la orientación del brazo y antebrazo.

9ª. Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los 15 medios portadores comprenden un chaleco (1) .

10ª. Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los actuadores de potencia (9) pueden ser lineales, rotacionales o una combinación de los 20 mismos.

11ª. Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por 25 que dispone de medios de almacenamiento de datos, medios de entrada para selección de un modo de funcionamiento del exoesqueleto y de una unidad de control configurada para, en función de dicha selección, seleccionar uno de los siguientes modos de funcionamiento del exoesqueleto:

- modo de grabación de trayectorias, para registrar los movimientos realizados por el exoesqueleto en los medios de almacenamiento de datos;

- modo de seguimiento de trayectoria grabada, para seleccionar una trayectoria deseada, previamente grabada en los medios de almacenamiento de datos, y repetir 35

dicha trayectoria de manera automática o permitir que el usuario intente seguirla y corregirle cuando se salga de ella;

- modo de seguimiento de sensores externos, para permitir el control del movimiento del exoesqueleto a través de los sensores externos. Los sensores externos pueden 5 ser manejados por el propio usuario en aplicaciones de asistencia en fuerza o por un tutor o médico que guía los movimientos del alumno o paciente respectivamente.