DISCAPACIDAD ÓSEA Y MUSCULAR

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se . relaciona con los campos técnicos de la electrónica y la medicina ortopedista, ya que proporciona un exoesqueleto mecánico ajustable, para un animal bípedo, como un- humano, con problemas de movilidad ósea y muscular.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

Hoy en día, las personas que viven con debilidad muscular, parálisis en las piernas y principalmente paraplejia, por lo que se les dificulta la movilidad, por ende necesitan de sillas de ruedas, bastones, muletas u cualquier otra tecnología similar, para poder enfrentar su problema de movilidad. Aunque también se han desarrollado tecnologías robóticas o exoesqueletos para tal fin, como se puede ver en los documentos de patentes que a continuación se refieren .

El documento de patente O2011127421 describe un exoesqueleto, configurable para ser acoplado a una persona, incluye un tronco exoesqueleto conectado a un primero y segundo soportes para las piernas, en las respectivas articulaciones de la cadera, que permiten la flexión y extensión alrededor de los respectivos ejes de la cadera. Un dispositivo de contrapeso incluyendo una masa auxiliar está conectado al tronco exoesqueleto, a través de un dispositivo de accionamiento, de tal manera que la masa auxiliar se éxtiende por detrás del tronco del exoesqueleto, a través de un dispositivo de soporte de. carga, que incluye un dispositivo de cambio de carga, exclusivamente para los mecanismos de funcionamiento de potencia, para subir o bajar la carga frontal con respecto al tronco exoesqueleto. La masa auxiliar puede ser desplazada, selectivamente, con respecto al tronco exoesqueleto, para equilibrar el movimiento creado alrededor de los ejes. de cadera, por la masa auxiliar y el movimiento creado por una,, fuerza hacia abajo de la carga en el dispositivo .-de soporte de carga.

El documento de patente US2010256537 ¹ da a conocer un sistema de control para un dispositivo de un exoesqueleto háptico, que tiene: una estructura, para ser acoplado al cuerpo de un sujeto; actuadores, soportados por la estructura y que puede funcionar para provocar el movimiento de una serie de articulaciones del cuerpo; y sensores, acoplados al cuerpo para detectar primera señales indicativas de una intención de movimiento del sujeto. El sistema de control está provisto de: una etapa de regeneración, el control de una posición de las articulaciones sobre la base de una posición de referencia; una etapa de alimentación directa, el control de un cumplimiento presentado por el exoesqueleto háptico al sujeto sobre la base de las primera señales detectadas, y un bloque de combinación, combinando las salidas de la etapa de regeneración y la etapa de alimentación directa con el fin de generar una señal de excitación para los actuadores, imponiendo con ello una posición controlada a las articulaciones .

El documento WO2011124781 divulga un sistema de articulación mecánica que se puede utilizar para una ortesis, exoesqueleto, -robot y prótesis, que tendrá una aplicación en cualquier sistema para ayudar a la movilidad, para soporte muscular, para la rehabilitación de las habilidades motoras, la-, amplificación y reproducción de los movimientos naturales. El ^' sistema mecánico utiliza, como base inicial,, el movimiento en el espacio de un plano formado' por dos largueros que forman un paralelepípedo, la unión de dos elementos distintos, por ejemplo en un lado del torso y en el ^; otro lado del brazo. Cada enlace a los extremos de los. largueros, que permite la rotación en, al menos, uno de los tres ejes, será capaz de ser montado en un sistema de posicionamiento "plano" con el fin de amplificar el movimiento de la articulación.

Como se puede observar, todas las tecnologías actuales son, además de muy complejas, fijas, o sea que no son ajustables a las medidas de los usuarios, lo que trae como consecuencia de que se tenga ^' que adquirir un aparato único para persona o ir lo cambiando cuando esta va creciendo o aumentando sus tallas.

Por lo tanto, debido a los inconvenientes antes mencionados, se desarrolló un exoesqueleto mecánico que tiene, entre sus ventajas, la de ser ajustable a las medidas de . cualquier usuario que tenga discapacidad muscular u.ósea; el cual describo a continuación.

DESCRIPCION E ALLADA DE LA INVENCION

Los detalles característicos de la presente invención se explican . claramente en la siguiente descripción, figuras y ejemplos, que se' acompasan, los cuales se mencionan a manera de ejemplos, y no deben considerarse como una limitante, para la presente invención.

Breve descripción de las figuras:

La figura 1 es una vista en perspectiva convencional del exoesqueleto mecánico, de la presente invención.

La figura 2 es una vista explosiva de la sección de la cintura del presente exoesqueleto mecánico.

La figura 3 ^' es una' vista explosiva de la parte superior de

. ^' una de las -.extremidades inferior de dicho exoesqueleto.

La figura 4 es una vista explosiva de la parte media de una de ^■ las extremidades del exoesqueleto en cuestión.

La figura 5 es una vista explosiva de la parte inferior, de una de las extremidades del exoesqueleto.

La figura 6 es. una vista en perspectiva convencional del exoesqúeleto . mecánico, en una posición de abertura .

La figura 7 es .una vista en perspectiva convencional, de una de las modalidades del exoesqueleto mecánico de la presente, invención.

La figura 8 es una vista superior del exoesqueleto mecánico en cuestión .

La figura 9 es una vista en perspectiva convencional de dicho exoesqueleto en uso _, por un usuario.

La figura 10· es una ^' vista en perspectiva convencional de otra , de las modalidades del presente exoesqueleto .

La figura 11 es una frontal del exoesqueleto mecánico en cuestión, donde se ilustra de manera esquemática, . ,1a distribución del sistema eléqtrico.

La figura 12 es una vista lateral del exoesqueleto mecánico de la figura 11.

Ejemplo 1. Realización preferente de la presente invención.

De acuerdo con las figuras antes referidas, el exoesqueleto mecánico se conforma de un perfil principal de medio caño cuadrado (1), colocado boca abajo, cuyos costados laterales tienen perforaciones, ^' _. (2) ubicadas, lineal y preferentemente , hacia los extremos de dicho perfil. Este perfil · sirve de soporte principal del exoesqueleto, para ajustar el -ancho de las. piernas del exoesqueleto y para ajustarse a la medida de la cintura de un usuario. Lo cual se logra gracias ¾ ^■ sus perforaciones (2), asegurando ese ajuste, por medio de pernos .o tornillos, que se introducen en dichas perforaciones (2) . Por la parte inferior del perfil principal (1), específicamente dentro de su canal, se colocan horizontal y perpendicularmente , con respecto a dicho perfil principal (1), un primer par de soportes extensibles y reducible; los cuales, se conforman de un tubo hueco cuadrado (3), donde sus paredes laterales se prolongan perpendicularmente hacia arriba (4), en la cual se coloca horizontal y perpendicularmente, con respecto al tubo (3) , una sección tubular (5) con perforaciones (6) en sus lados laterales. Estas . secciones tubulares (5) se introducen y deslizan a lo largo del canal del perfil principal (1); ese deslizamiento es con el fin de ajustar la anchura de la cadera de un usuario' y se fija tal anchura con unos pernos o tornillos. A Ambos costados laterales del tubo hueco (3), se proyectan hacia ^' abajo soldándoles longitudinalmente una extensión perforada (7), para conformar asi un canal por debajo del tubo hueco (3), donde se desliza longitudinalmente un segundo tubo hueco (8) también perforado en sus lados laterales que hacen contacto con la extensión perforada (7); por lo qué, las perforaciones de ambas piezas quedan ubicadas a la misma altura, para permitir la introducción de un elemento de fijación.

Con este par de soportes extensibles y reducibles, se logra ajusfar la medida transversal de la cadera de un usuario, donde la fijación de tal medida, se hace por medio de la introducción de pernos de seguridad en las perforaciones de la extensión perforada (7) y del segundo tubo hueco (8) . Además, tales pares de soportes, sostienen a las extremidades inferiores del exoesqueleto, las cuales, a su vez sostendrán a las piernas del usuario. Una barra vertical (9) se fija perpendicularmente, en cada extremo libre de los segundos tubos huecos ^8), de los primeros soportes extensibles y reducibles. En el extremo inferior de cada barra vertical (9) se provee una argolla (10), la cual, en cooperación con un par de argollas (12) que se encuentran soldadas verticalmente en el extremo superior de un tubo superior interno (14), forman una primer rótula o rótula de cadera; donde para ello, un primer conjunto de cuatro rondanas (11) se inserta entre el las argollas (10 y 12) y un balero interno se incluye, para permitir la rotación.

Dicho tubo interno superior (14) es cuadrado con perforaciones en sus costados laterales, el cual, se desliza verticalmente en el canal de un ₍ perfil superior (13) cuadrado de medio caño con perforaciones en sus costados laterales también; donde las perforaciones de ambas piezas (13 y 14) están ubicadas de tal manera que coincidan entre si, para permitir la introducción de un medio de sujeción, como un perno o un tornillo. De esta manera, ambas piezas (13 y 14) forman un segundo soporte para sostener el fémur de un usuario, se ajusta a la longitud del fémur del usuario, debido a sus perforaciones laterales, por medio de las cuales se puede fijar la altura .

Un primer motor eléctrico convencional del tipo actuador lineal de 30 Kg F (15), se _^ provee en la parte frontal de cada segundo soporte extensible y reducible. Este motor (15) es el que brinda la fuerza de movimiento a las extremidades del exoesqueleto y por la manera en que está colocado, es capaz de producir un movimiento de rotación en una dirección a partir de un movimiento lineal.

Para sujetar este primer motor (15), se suelda una primera pieza sujetadora (16) en la parte frontal de la barra vertical (9); donde dicha pieza sujetadora (16) es un pequeño perfil cuadrado de medio caño, con lados laterales triangulares y en su canal se introduce y sujeta el ^" extremo superior del primer motor (15) . Mientras qué, el extremo inferior del primer motor (15) se afianza en una base (17) que está soldada en el extremo inferior del tubo interno superior ( 14 ) .

En la parte inferior del perfil superior (13) se suelda una argolla (18), que conjuntamente con un par de argollas (20) soldadas en el extremo superior de un perfil inferior (21) cuadrado de medio caño, forman una segunda rótula o rótula de la rodilla, por lo que se coloca un segundo juego de cuatro rondanas (19) y un balero, entre dichas argolla (18 y 20), para permitir la rotación.

En el canal del perfil inferior (21) cuadrado de medio caño, se desplaza verticalmente un tubo inferior (22). Estas piezas (21 y 22) conforman un tercer soporte extensible y reducible que sostiene a la parte inferior de la pierna de un usuario, por lo que dichas piezas tienen las mismas características y configuración, a las del tubo superior (14) y el perfil superior (13).

Un segundo motor eléctrico convencional del tipo actuador lineal de 30 Kg F (23) , se provee en la parte posterior de cada tercer soporte extensible y reducible. Dicho segundo motor se fija su parte superior en una segunda pieza sujetadora (24), de la misma configuración a la primera pieza sujetadora (16), esta segunda pieza (24) está ubicada en la parte posterior inferior del perfil superior (13); y la parte inferior del segundo motor (23) se asegura en una segunda base (25) ubicada en la parte posterior inferior del perfil inferior (21) . En la parte inferior de cada tubo inferior (22) se suelda una argolla (26) , donde formará una tercera rótula o rótula de tobillo, en participación con un par de argollas (28) que está soldado en un soporte fijo (29), entre las argollas (26 y 28) se inserta un tercer juego de rondanas (27) y un balero para permitir la rotación.

El soporte fijo (29) consiste en un soporte metálico que está asegurado en un base horizontal (30) y sirve de base para todo el exoesqueleto, por lo que su función es brindar un soporte firme desde la planta del pie del exoesqueleto hasta las piernas del mismo.

Un motor tipo actuador lineal de 10 Kg F (31) se coloca de manera inclinada, entre la base horizontal (30) y el tubo inferior (22), donde para ello se provee un par de piezas sujetadores (32 y 32') donde una (32) se fija en la parte frontal inferior del tubo inferior (22) y la otra (32') en el extremo delantero de la base horizontal (30) . Este motor brinda la fuerza de movimiento en la articulación del tobillo del exoesqueleto y por la manera de cómo está diseñado, es capaz de producir un movimiento de rotación en una dirección a partir de un movimiento lineal. Todos los motores antes referidos, pueden ser eléctricos, hidráulicos, electromecánicos, o neumáticos o de cualquier otro tipo de actuador que genere un movimiento lineal con fuerza de 10 a superior a30 Kg F.

Cabe señalar que todas las rótulas, como ya se ha descrito, constan de las argollas fijas con varias rondanas de bronce, entre ellas, para disminuir la fricción y un balero interno que permite la rotación; ya que dichas rótulas tienen la función de una articulación mecánica de un solo grado de libertad y que impide movimientos laterales en la articulación de cadera, rodilla y tobillo.

Cada rótula tiene externamente un sensor magnético de posición angular, que consta de un magneto (40), un sensor magnético (41) y una base para el sensor magnético (42) . Dicho sensor magnético está en comunicación con un microprocesador principal (43) , en este caso por un cable (44), pero puede ser cualquier otro medio de comunicación. El sensor magnético permite saber en qué posición se encuentran las piernas del exoesqueleto. Con esto se logra una articulación mecánica de un solo grado de libertad y que impide movimientos laterales en la articulación de cadera, rodilla y tobillo, del exoesqueleto en cuestión.

Una plantilla (33) se provee en la base horizontal (30), la cual es una superficie rígida que puede ser metálica y donde el usuario del exoesqueleto coloca su pie. Esta pieza es la que levanta los pies del usuario al momento de caminar o ponerse de pie. En la base inferior de esta plantilla (33) se .encuentran cuatro sensores (45) de presión para proveer información al microprocesador principal (43) del exoesqueleto de hacia qué lado se encuentra aplicada la carga y así por medio del actuador del tobillo se pueda corregir la postura total del exoesqueleto estando en una posición de reposo o al realizar un movimiento.

Un soporte de espalda (34), se provee en la parte superior del perfil principal (1), donde dicho soporte es, en este ejemplo, un marco metálico que puede ser de acero y que brinda soporte a la espalda del usuario. También sirve para contener a las baterías y los circuitos electrónicos que controlan los motores del exoesqueleto para que pueda caminar. En este marco se encuentra también un microprocesador principal (43) que controla la lógica de los movimientos del exoesqueleto en base a la información de los sensores distribuido en dicho exoesqueleto.

El soporte de espalda (34) se asienta en un par de bases tubulares (35), las cuales consisten, cada una, de un perfil tubular hasta su mitad, dispuesto verticalmente, con perforaciones en sus costados laterales. En los costados laterales .del soporte de espalda (34) se provee de una pieza tubular (36) con perforaciones en sus costados que hacen contacto con los costados con perforaciones de la base tubular (35), ya que dicha pieza tubular (36) es la que se introduce verticalmente en la base tubular (35) ; de tal manera que permite ajustar la altura a la que se desea colocar el soporte de la espalda, de acuerdo a la talla del usuario. Unas tiras flexibles (48) se proveen en la parte frontal del soporte de espalda (34), para que el usuario se las coloque en su pecho, para sujetarse firmemente al exoesqueleto . Por la parte inferior central de perfil principal (1) se provee de un soporte de espalda baja (37), el cual es un marco de perfiles, al cual se acojina para brindar un soporte firme y suave a la espalda baja del usuario.

El exoesqueleto también provee de unos soportes para las piernas del usuario, los cuales consisten en tiras metálicas (38) ergonómicamente apropiadas para cargar a la persona que use el exoesqueleto; dichas tiras (38) se fijan horizontalmente en los costados laterales internos, de los perfiles superior (13) e inferior (21) . Puede también adecuarse algunas correas de sujeción (no ilustradas) para mantener a la persona unida al exoesqueleto. El número y distribución de las tiras (38) es según la talla del usuario.

Todas las piezas que conforman la estructura del exoesqueleto de la presente invención son metálicas, preferentemente de acero; aunque pueden hacerse de cualquier material resistente y que sea liviano. También, dichas piezas son tubulares con la finalidad de hacer más liviano a dicho exoesqueleto mecánico.

El sistema eléctrico del exoesqueleto comprende: sensores de fuerza (45) en las plantillas (33); un acelerómetro (no ilustrado) en el respaldo de espalda (34); sensores de posición en cada rótula de articulación; un control electrónico en tiempo real; y el microprocesador principal (43) que mantiene el equilibrio del exoesqueleto en una posición estática.

Con lo anteriormente descrito, obtenemos un exoesqueleto mecánico con auto equilibrio; además de ser ajustable para personas de diferentes estaturas, desde un niño de 1 m hasta un adulto de 1.89 m; asi también, tiene un novedoso ajuste horizontal que tiene la ventaja de que personas de diferentes tallas de cintura lo puedan utilizar.

Este ajuste se hace de forma telescópica y tiene la función de permitir la interposición de los motores en que estos lleguen interferir o chocar unos con otros.

Su sistema de auto equilibrio estático corrige ligeramente la posición en vertical por medio de los motores (31) que tiene en los tobillos del exoesqueleto, que le permiten mantener al usuario de pie, sin necesidad de usar algún tipo de bastón en una posición estática. Sin embargo, dicho exoesqueleto puede comprender, dos bastones o muletas (49) (ver Figura 9) , donde se colocan unos botones de control (46) para manipular al exoesqueleto por parte del usuario, dichos medios de control son comunicados por medio de cables (47), aunque puede comunicarse de otra -manera, tal como la vía remota. En el mango de uno de los bastones se coloca el botón para elegir la función o actividad, de levantarse, sentarse, subir escaleras, bajar escaleras, caminar hacia delante, hacia atrás y cualquier otra actividad que desee hacer con sus piernas; mientras que en' el mango del otro bastón se coloca el botón para ordenarle al exoesqueleto avanzar o detenerse.

El material de la estructura del exoesqueleto, consiste primordialmente de acero y asimismo esta compuesto de seis motores (15, 23 y 31) lineales eléctricos. Cuando se requiere que alguna articulación rote para generar un movimiento en la pierna del usuario, el motor actuador lineal se activa electrónicamente generando un movimiento rotatorio en la articulación deseada; al funcionar todos los motores actuadores al mismo tiempo se crea un movimiento que es controlado por el microprocesador (43) que tienen ya los movimientos pre programados.

El usuario puede seleccionar de entre varios movimientos pre programados, cual de todos es el que desea realizar ya sea pararse, sentarse, caminar, subir un escalón, bajar un escalón o agacharse.

Una de las variantes del presente exoesqueleto es que los motores se les pueden cubrir con tapas (39), tal como se observa en la figura 7, con el fin de proteger a los motores de partículas ambientales que los pudieran dañar o disminuir su rendimiento.

Otra de las variantes del presente exoesqueleto es que el perfil principal (1) puede ser discontinuo o dicho de otra manera, puede ser de dos tramos de perfiles, tal como se aprecia _, en la Figura. 10, con la finalidad de hacerlo más ligero .

Ejemplo 2. Funcionamiento del exoesqueleto mecánico de la presente invención-, es, el siguiente:

Estando el exoesqueleto en la posición sentado sobre una silla, el usuario se debe sentar en el interior de las piernas del ex ^' besqueleto previamente ajustado a su medida de cadera y largo de piernas, de manera que las tiras metálicas (38) le queden debajo de sus piernas. Una vez hecho esto, el. usuario se deberá amarrar por medio de alguna correa sus piernas al exoesqueleto, asi como ponerse los tirantes de la mochila (34) como se ilustra en la figura 9.

Asi mismo por medio de correas en los pies (no ilustradas) se debe amarrar estos a la base . (30) de los pies del exoesqueleto . '

Una vez hecho esto el usuario tomará los bastones de control (figura 9) ^' y por medio de dos botones controlará las funciones que quiere realizar con el exoesqueleto. Estas funciones son ^' , levantarse, sentarse, subir escaleras, bajar escaleras, , caminar hacia delante, caminar hacia atrás y cualquier otra que desee hacer con sus piernas. Uno de los bastones . será el que por medio de un botón en el mango de apoyo del bastón, seleccione la función que quiere realizar el usuario. Mientras que el otro botón de control del otro bastón servirá para dar la orden de avanzar o detenerse con la acción seleccionada. a caminar, subir escaleras y sentarse como lo haría si no tuviera la discapacidad.

Cuando el usuario está de pie con el exoesqueleto y se encuentra detenido en una posición vertical, el microprocesador (43) controlará automáticamente la posición vertical del usuario midiendo la fuerza aplicada en los sensores de fuerza (45) y la información que le llegue del ace.lerómetro (no ilustrado) ubicado en el respaldo de espalda (34) del exoesqueleto para mantener así la vertical del usuario con todo u exoesqueleto por medio de los motores (15) , (23) y (31) .

En las figuras 9, 11 y 12 se. aprecian cómo un arnés de cable conecta todos los sensores con el microprocesador principal (43) , dichos arneses contienen los cables de los sensores y cables de alimentación para los motores (15), (23) y (31) y los sensores (41) ubicados en las rótulas.

Es importante señalar que los ejemplos de realización antes descrito, es una de las formas preferentes, sin embargo, hay muchas otras maneras obvias para un experto en la materia, de cómo llevar acabo la presente invención. Por lo que dichas modificaciones o variantes, quedan comprendidas en la presente invención.