Sistema universal de accionamiento háptico.

Sistema de accionamiento háptico universal para la rehabilitación del brazo y de la muñeca,

que comprende:

- un accesorio de mano (5) que comprende una empuñadura (5.1) cuya posición es ajustable de acuerdo a una tarea determinada;

- un mango sustancialmente vertical (4) para llevar el accesorio de mano (5), siendo el mango sustancialmente vertical (4) movible en un plano transversal;

- un sistema accionador háptico (2.3) basado en cable que tiene dos grados de libertad hápticos para aplicar una fuerza al mango sustancialmente vertical (4);

caracterizado porque

- el mango sustancialmente vertical (4) comprende una articulación universal de dos grados de libertad (4.3) con capacidad de bloqueo;

- la articulación universal (4.3) se encuentra en serie con el sistema de accionamiento háptico (2.3) entre un punto de accionamiento por una pluralidad de cables (2.7, 2.8, 3.7, 3.8);

- cuando la articulación universal (4.3) está desbloqueada, permite movimientos accionados de dos grados de libertad para la rehabilitación de la muñeca, y

- cuando la articulación universal (4.3) está bloqueada origina que un mango sustancialmente vertical rígido (4) permita movimientos accionados de dos grados de libertad para la rehabilitación del brazo.

Sistema universal de accionamiento háptico Antecedentes de la invención

Campo técnico

La presente invención se refiere a un sistema de accionamiento háptico universal para la rehabilitación del brazo y la muñeca.

Descripción de la técnica relacionada La función de la extremidad superior es de suma importancia para llevar a cabo diversas actividades de la vida diaria. Diversas enfermedades neurológicas, más notablemente un accidente cerebrovascular, así como condiciones ortopédicas resultan en un deterioro de la función de la manipulación de varios objetos mediante actividades de alcanzar, orientar y sujetar. Alcanzar o acercarse un objeto es realizado por el hombro y el codo, orientar el objeto se lleva a cabo por la muñeca, mientras que sujetar y soltar un objeto se lleva a cabo mediante la apertura y cierre de la mano.

Después de una lesión o deterioro neurológico se emplea fisioterapia intensiva a través del movimiento dirigido activo asistido y ejercicios con el objetivo de la restauración de la planificación sensorio-motor, la reducción de la espasticidad y la preservación de la amplitud de movimiento para facilitar la recuperación de la funcionalidad del brazo y la mano. Numerosos estudios clínicos han mostrado que una clave para la recuperación exitosa es un número suficiente de repeticiones que se relacionan con una tarea practicada. Aquí se pueden distinguir dos enfoques básicos: la práctica del movimiento complejo que implica actividades de alcanzar, orientar y sujetar combinadas en una sola tarea y el entrenamiento del movimiento específico bien definida aislado de cada componente aislado de la función de la extremidad superior. La especificidad de entrenamiento determina también el resultado de la terapia; es decir, ejercicios de alcanzar activan el hombro y el codo lo que resulta en la mejora de los transportes de la mano hacia el lugar de destino; el movimiento de los ejercicios del antebrazo y la muñeca sirven para orientar la mano y proporcionar estabilidad y control durante la sujeción resulta en una mejora de la función de la muñeca, mientras que ejercicios de sujetar y soltar resultan en una mejora de la función de sujeción. La práctica de movimiento anteriormente descrita se ve facilitada por un fisioterapeuta que utiliza la comunicación verbal, así como la interacción física para guiar a un aprendiz y ejecutar adecuadamente una tarea determinada.

La robótica de rehabilitación parece estar particularmente bien adaptada para la entrega de movimiento de masas practicado. Aporta precisión, exactitud y repetibilidad y combinado con tareas de ordenador o de realidad virtual proporcionan un entorno estimulante de entrenamiento. El control de impedancia de los robots de rehabilitación permite la interacción háptico programable con el brazo y la mano paréticos. Se necesita dicha interacción háptico para iniciar, orientar y detener el movimiento dependiendo de la actividad del usuario. Se ha demostrado en numerosos estudios clínicos que estas características de los robots de rehabilitación producen resultados significativos de rehabilitación.

Un ejemplo de un dispositivo de rehabilitación conocido se divulga en el documento WO 2005/0743711.

El estado actual de la técnica incluye soluciones robóticas hápticos que tienen de uno a tres grados hápticos de libertad y fueron desarrollados para el entrenamiento del hombro y el codo. Ejemplos son MIT-MANUS descrito en la patente US 5.466.213 (Hogan et al.) , y ARM Guide y EMUL descritas en un artículo de Krebs et al., Robotic rehabilitation therapy, Wiley enciclopaedia de Ingeniería Biomédica, John Wiley & Sons, 2006. Otras soluciones robóticas fueron desarrolladas para la muñeca, como BI-MANU-TRACK, descrita por Hesse et al, Upper and lower extremity robotic devices for rehabilitation and studying motor control, Current Opinion in Neurology 2003, 16: 705710 y el robot muñeca MIT descrito en el artículo anteriormente citado por Krebs et al. MIT-MANUS es un robot de dos grados de libertad, de tipo SCARA, impedancia planar controlada que permite practicar el movimiento de alcanzar en plano horizontal mediante la activación de hombro y codo. Con MIT-MANUS no es posible practicar el movimiento a lo largo del eje vertical. EMUL es un robot de tres grados de libertad, de tipo PUMA, de impedancia controlada que permite la práctica del movimiento de alcanzar del brazo dentro de todo el espacio de trabajo, que incluye el eje vertical. El ARM Guide, por otro lado, es un robot de un solo grado de libertad de impedancia controlada que permite el movimiento del brazo (hombro y codo) a lo largo de la línea y puede ser orientada en diferentes direcciones dentro del espacio de trabajo 3D para permitir la práctica del movimiento de alcanzar en diferente partes de un espacio de trabajo. BI-MANU-Track es un dispositivo que ofrece el entrenamiento activa (asistido por motor) o pasivo de la flexión/extensión de la muñeca o (dependiendo de la configuración mecánica del dispositivo) de la pronación/supinación del antebrazo que sigue a un enfoque bilateral, lo que significa que el lado no deteriorado impulsa el movimiento del lado alterado de una forma similar a un espejo o en paralelo. El robot de muñeca MIT es un dispositivo de tres grados de libertad que tiene tres ejes de impedancia controlada que se cruzan con los tres grados de libertad de la muñeca humana (flexión/extensión, abducción/aducción y pronación/supinación) que permiten practicar simultáneamente el movimiento de orientación de la muñeca. El denominador común de los dispositivos anteriores es que para exhibir un desempeño compatible (impedancia controlada) los grados de libertad accionados necesitan ser accionables de manera inversa, lo que significa que la impedancia inherente de los

accionadores debe ser baja. Esto hace necesario el uso de accionamiento directo, motores de alta torsión, así como el uso de sensores de posición y de fuerza precisas. Otro inconveniente de los dispositivos conocidos es que proporcionan un entorno de entrenamiento sólo para un componente/actividad del movimiento de alcanzar, ya sea el movimiento de alcanzado o movimiento de la muñeca.

Sumario de la invención Es un objeto de la invención proporcionar un sistema de accionamiento háptico universal que permite la transformación fácil y rápida de un robot de rehabilitación de movimiento de alcanzar en un robot de rehabilitación del movimiento de la muñeca.

Para ello, se proporciona según un aspecto de la invención un sistema de accionamiento háptico universal según la reivindicación independiente 1. Realizaciones favorables se definen en las reivindicaciones dependientes 2-15.

El sistema de accionamiento háptico universal para la rehabilitación del brazo y de la muñeca de acuerdo con un aspecto de la presente invención comprende un accesorio de mano, un mango sustancialmente vertical para llevar el accesorio de mano, siendo el mango sustancialmente vertical movible en un plano transversal y un sistema accionador háptico para aplicar una fuerza al mango sustancialmente vertical. El mango sustancialmente vertical comprende una junta universal con capacidad de bloqueo. Cuando la junta universal está desbloqueada, permite movimientos para la rehabilitación de la muñeca, y cuando la junta universal está bloqueada provoca una rigidez del mango que permite movimientos verticales o casi verticales para la rehabilitación del brazo.

De esta manera, el sistema de accionamiento háptico universal puede ser transformado con facilidad y rapidez de un robot de rehabilitación del movimiento de alcanzar en un robot de rehabilitación del movimiento de la muñeca y viceversa, simplemente mediante el bloqueo y desbloqueo de la junta universal. Para ello el mango sustancialmente vertical puede estar provisto de una llave.

Por lo tanto, se propone una máquina de bajo coste que permite a dos grados de libertad hápticos y un grado balanceado de gravedad y no accionado pasivo de libertad que se puede utilizar para el entrenamiento del brazo y el movimiento de la muñeca, dependiendo de la configuración mecánica.

De acuerdo con una realización de la invención, el sistema accionador háptico comprende dos accionadores basados en cables aplicando cada uno una fuerza en una dirección sustancialmente perpendicular a la varilla sustancialmente vertical en su posición inicial, comprendiendo cada uno de los accionadores basados en cable un motor eléctrico y medios de transmisión de fuerza elástica conectados en serie al mismo, por ejemplo un muelle lineal. Según una forma de realización, los accionadores basados en cable comprenden cada uno medios para detectar una fuerza ejercida por un sujeto y una posición, tal como -medios... [Seguir leyendo]

1. Sistema de accionamiento háptico universal para la rehabilitación del brazo y de la muñeca, que comprende:

- un accesorio de mano (5) que comprende una empuñadura (5.1) cuya posición es ajustable de acuerdo a una tarea determinada;

- un mango sustancialmente vertical (4) para llevar el accesorio de mano (5) , siendo el mango sustancialmente vertical (4) movible en un plano transversal;

- un sistema accionador háptico (2.3) basado en cable que tiene dos grados de libertad hápticos para aplicar una fuerza al mango sustancialmente vertical (4) ;

caracterizado porque -el mango sustancialmente vertical (4) comprende una articulación universal de dos grados de libertad (4.3) con capacidad de bloqueo;

- la articulación universal (4.3) se encuentra en serie con el sistema de accionamiento háptico (2.3) entre un punto de accionamiento por una pluralidad de cables (2.7, 2.8, 3.7, 3.8) ;

- cuando la articulación universal (4.3) está desbloqueada, permite movimientos accionados de dos grados de libertad para la rehabilitación de la muñeca, y -cuando la articulación universal (4.3) está bloqueada origina que un mango sustancialmente vertical rígido (4) permita movimientos accionados de dos grados de libertad para la rehabilitación del brazo.

2. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el mango sustancialmente vertical comprende una abrazadera (4.2) para bloquear y desbloquear la articulación universal (4.3) .

3. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el que el accesorio de mano (5) comprende una empuñadura

(5.1) que puede girar, un escudo de mano (5.2) y medios (5.3) para desactivar la rotación de la empuñadura desde la posición seleccionada.

4. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el mango sustancialmente vertical está conectado a una varilla sustancialmente vertical (1.2) por medio de una junta pasiva lineal (4.1) y se inserta en un cojinete esférico (1.1) que permite el movimiento del mango sustancialmente vertical en el plano transversal, en el que el sistema de accionamiento háptico (2.3) actúa sobre la varilla sustancialmente vertical (1.2) .

5. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el sistema accionador háptico

(2.3) utiliza un principio de accionamiento elástico en serie para aplicar la fuerza.

6. Sistema de acuerdo con la reivindicación 5, en el que el sistema de accionamiento háptico comprende un primer accionador basado en cables (2) que aplica una fuerza en una primera dirección en un plano sustancialmente transversal a la empuñadura vertical en su posición inicial, comprendiendo el primer accionador basado en cables (2) un motor eléctrico (2.1) y medios de transmisión de fuerza elástica (2.3) conectados en serie al mismo, por ejemplo un muelle lineal.

7. Sistema de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el primer accionador basado en cable (2) comprende además medios (2.6) para detectar una fuerza ejercida por un sujeto y una posición, siendo los medios para la detección de la fuerza preferiblemente medios de detección para detectar la elongación del muelle lineal (2.3) , por ejemplo un potenciómetro lineal.

8. Sistema de acuerdo con la reivindicación 6 ó 7, en el que el primer accionador basado en cable (2) comprende además medios elásticos (2.4) para regular la tensión de un cable recurrente (2.8) , siendo los medios elásticos, por ejemplo, un muelle lineal.

9. Sistema de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el primer accionador basado en cable (2) comprende además poleas direccionales (2.5) para asegurar el buen funcionamiento de cable recurrente (2.8) .

10. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, en el que el primer accionador basado en cable

(2) comprende además una polea (2.2) montada sobre el eje del motor eléctrico (2.1) para enrollar un cable (2.10) conectado a los medios de transmisión de fuerza elástica (2.3) .

11. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6 a 10, en el que el sistema de accionamiento háptico (2.3) comprende un segundo accionador basado en cable (2) que aplica una fuerza en una segunda dirección sustancialmente perpendicular a la primera dirección.

12. Sistema de acuerdo con la reivindicación 11, en el que los cables (2.7, 2.8, 3.7, 3.8) del primer (2) y segundo accionador basado en cable (3) están conectados a la varilla vertical en casi un único punto. 6

13. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el mango vertical (4) comprende medios de detección de fuerza (4.4) .

14. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, un soporte de brazo (8) y un soporte de peso (6) conectado al mismo.

15. Sistema de acuerdo con la reivindicación 14, que comprende además un soporte de brazo (8.1) con diferentes configuraciones para ajustar de ese modo la altura del soporte de brazo (8) .