ES1096032U - Exoskeleton measurement and therapy device for the ankle, reconfigurable (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
Exoskeleton measurement and therapy device for the ankle, reconfigurable (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)Info
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Abstract
Description
Dispositivo de exoesqueleto de medición y terapia para el tobillo, reconfigurable. Exoskeleton measuring and therapy device for the ankle, reconfigurable.
La presente invención se refiere a un dispositivo de exoesqueleto sin fijación a una base, reconfigurable, basado en mecanismos paralelos, con realimentación de fuerzas, para el tobillo humano. La utilización principal del dispositivo está prevista como máquina de The present invention relates to an exoskeleton device without fixation to a reconfigurable base, based on parallel mechanisms, with force feedback, for the human ankle. The main use of the device is intended as a machine
10 entrenamiento de equilibrio/propiocepción, aunque el dispositivo de exoesqueleto también puede emplearse para adaptarse a ejercicios de rango de movimiento (RoM, range of movement)/fortalecimiento. Este dispositivo también se utiliza para ejercicios de articulaciones metatarsofalángicas. 10 balance / proprioception training, although the exoskeleton device can also be used to adapt to range of motion (RoM) / strengthening exercises. This device is also used for metatarsophalangeal joint exercises.
15 El objetivo de la rehabilitación es recuperar las capacidades físicas, sensoriales y neuronales del paciente que se vieron afectadas debido a una enfermedad o lesión. La rehabilitación del tobillo es necesaria normalmente después de un esguince de tobillo, una de las lesiones más comunes en deportes y en la vida diaria [1]. También se experimentan pérdidas de capacidad funcional, capacidad para aguantar peso y 15 The goal of rehabilitation is to recover the physical, sensory and neuronal abilities of the patient who were affected due to illness or injury. Ankle rehabilitation is usually necessary after a sprained ankle, one of the most common injuries in sports and in daily life [1]. There are also losses of functional capacity, ability to withstand weight and
20 estabilidad de articulación en el tobillo después de lesiones neurológicas como consecuencia de un ictus y deformidad por contractura como consecuencia de enfermedades cerebrovasculares. Los ejercicios de fisioterapia son indispensables para recuperar el rango de movimiento (RoM) de la articulación, para ayudar a volver a fortalecer los músculos para aguantar peso, para favorecer un mejor sentido de la 20 joint stability in the ankle after neurological injuries as a result of stroke and contracture deformity as a result of cerebrovascular diseases. Physiotherapy exercises are essential to recover the range of motion (RoM) of the joint, to help strengthen the muscles again to support weight, to favor a better sense of
25 posición de articulación (propiocepción), para garantizar la integridad neuronal y para recuperar el equilibrio dinámico. 25 joint position (proprioception), to ensure neuronal integrity and to recover dynamic balance.
La rehabilitación de una lesión de tobillo se aborda generalmente en tres fases de ejercicio secuenciales [2], [3]. Los ejercicios en la fase inicial se centran primero en 30 permitir un RoM completo de la articulación y a continuación fortalecer los músculos del tobillo. Una vez que se logra el RoM y la flexibilidad requeridos y los músculos se vuelven lo suficientemente fuertes para aguantar parte del peso sin producir dolor, puede iniciarse la fase intermedia de la terapia, que se centra en la mejora de la capacidad de propiocepción empleando ejercicios de equilibrio estático. En la fase final de la terapia, se The rehabilitation of an ankle injury is usually addressed in three sequential phases of exercise [2], [3]. The exercises in the initial phase focus first on 30 allowing a complete RoM of the joint and then strengthening the ankle muscles. Once the required RoM and flexibility are achieved and the muscles become strong enough to support part of the weight without causing pain, the intermediate phase of therapy can begin, which focuses on improving proprioception capacity using exercises Static equilibrium In the final phase of therapy, it
35 practican ejercicios dinámicos más avanzados. 35 practice more advanced dynamic exercises.
Los dispositivos de rehabilitación tradicionales utilizados para asistir en la fisioterapia son equipos pasivos simples, tales como bandas elásticas y mecanismos de bombeo para la rehabilitación del tobillo para ejercicios de fortalecimiento y estiramiento; tablas de equilibrio y rodillos de espuma para ejercicios de propiocepción y equilibrio. Los ejercicios 5 de RoM se realizan generalmente de manera manual por un terapeuta. A pesar de que estos tipos de equipos son simples y rentables con coste fijo, estos dispositivos tradicionales carecen de medios para recopilar mediciones cuantitativas del progreso del paciente, monitorizar el historial del paciente para su reevaluación, y lograr protocolos de tratamiento interactivos personalizados. Los terapeutas deben asumir la carga física de la The traditional rehabilitation devices used to assist in physiotherapy are simple passive equipment, such as elastic bands and pumping mechanisms for ankle rehabilitation for strengthening and stretching exercises; balance boards and foam rollers for proprioception and balance exercises. RoM exercises 5 are generally performed manually by a therapist. Although these types of equipment are simple and cost-effective with fixed cost, these traditional devices lack the means to collect quantitative measurements of patient progress, monitor patient history for reassessment, and achieve personalized interactive treatment protocols. Therapists must assume the physical burden of the
10 terapia de movimiento y proporcionar al paciente toda su atención mientras se ejercita con estos dispositivos. 10 motion therapy and provide the patient with full attention while exercising with these devices.
Actualmente se realizan ejercicios de rehabilitación mediante la ayuda de los dispositivos robóticos. La asistencia de ejercicios de rehabilitación física repetitivos utilizando Currently, rehabilitation exercises are carried out with the help of robotic devices. Assisting repetitive physical rehabilitation exercises using
15 dispositivos robóticos no sólo ayuda a eliminar la carga física de la terapia de movimiento para los terapeutas, sino que también disminuye los costes relacionados con la aplicación. Además, la terapia de rehabilitación a través de robot permite mediciones cuantitativas del progreso del paciente y puede utilizarse para realizar protocolos de tratamiento interactivos personalizados. 15 robotic devices not only help eliminate the physical burden of motion therapy for therapists, but also lower the costs associated with the application. In addition, robot rehabilitation therapy allows quantitative measurements of patient progress and can be used to perform personalized interactive treatment protocols.
20 Los efectos beneficiosos de los protocolos de rehabilitación asistidos por robot se han demostrado durante ensayos clínicos de terapia convencional en la literatura [4]. Reconociendo la necesidad de dispositivos de rehabilitación asistidos por robot para la fisioterapia para el tobillo, se han propuesto diversos diseños hasta la fecha. Girone et al. 20 The beneficial effects of robot-assisted rehabilitation protocols have been demonstrated during clinical trials of conventional therapy in the literature [4]. Recognizing the need for robot-assisted rehabilitation devices for ankle physiotherapy, various designs have been proposed to date. Girone et al.
25 propusieron una interfaz de realimentación de fuerzas, denominada tobillo de Rutgers, basada en la plataforma de Stewart [5]. En [6], se implementó un protocolo de entrenamiento interactivo basado en realidad virtual utilizando el tobillo de Rutgers para rehabilitación ortopédica. El sistema se estudió además [7] y [8] a través de diversos estudios de casos. La rehabilitación de tobillo a distancia en casa se abordó en [9], 25 proposed a force feedback interface, called Rutgers ankle, based on the Stewart platform [5]. In [6], an interactive training protocol based on virtual reality was implemented using the Rutgers ankle for orthopedic rehabilitation. The system was also studied [7] and [8] through various case studies. Remote ankle rehabilitation at home was addressed in [9],
30 mientras que en [10] el sistema se extendió a una configuración de plataforma de Stewart doble para su utilización en la rehabilitación y simulación de la marcha. 30 while in [10] the system was extended to a double Stewart platform configuration for use in gait rehabilitation and simulation.
En [11], Dai et al. propusieron otro dispositivo robótico para tratar lesiones de esguince de tobillo. A diferencia del diseño de la plataforma de Stewart, este dispositivo avanza 35 precisamente los suficientes grados de libertad (gdl) para abarcar el espacio de trabajo de orientación del tobillo humano. El análisis cinetostático presentado en esta referencia In [11], Dai et al. They proposed another robotic device to treat sprained ankle injuries. Unlike the design of the Stewart platform, this device advances precisely enough degrees of freedom (gdl) to cover the human ankle orientation workspace. The kinetic analysis presented in this reference
resaltó la importancia de emplear un poste central para lograr mayor rigidez para el dispositivo. En [12], Agrawal et al. propusieron una ortesis de pie-tobillo para la rehabilitación asistida por robot y presentaron el análisis cinemático y el control del mecanismo propuesto. De manera similar, en [13] Roy et al. propusieron Anklebot para He stressed the importance of using a central post to achieve greater rigidity for the device. In [12], Agrawal et al. They proposed a foot-ankle orthosis for robot-assisted rehabilitation and presented the kinematic analysis and control of the proposed mechanism. Similarly, in [13] Roy et al. proposed Anklebot for
5 ayudar en la recuperación de la función del tobillo. Este dispositivo puede utilizarse también para medir la rigidez del tobillo, que es un importante factor biomecánico para la locomoción. 5 help in recovering the ankle function. This device can be used. also to measure the stiffness of the ankle, which is an important biomechanical factor for the locomotion.
Syrseloudis y Emiris estudiaron el RoM traslacional y rotacional del tobillo y el pie Syrseloudis and Emiris studied the translational and rotational RoM of the ankle and foot
10 humano a través de experimentos en sujetos humanos, y concluyeron que un mecanismo de trípode paralelo con un eje rotacional adicional en serie es el diseño cinemático más relevante para seguir la cinemática del pie relacionada con el tobillo humano [14]. En [15] Yoon y Ryu propusieron un dispositivo de almohadilla para el pie basado en un mecanismo paralelo de 4 gdl híbrido y presentaron el análisis cinemático del dispositivo 10 through experiments in human subjects, and concluded that a parallel tripod mechanism with an additional rotational axis in series is the most relevant kinematic design to follow the kinematics of the foot related to the human ankle [14]. In [15] Yoon and Ryu proposed a foot pad device based on a parallel 4 gdl hybrid mechanism and presented the kinematic analysis of the device
15 novedoso. En [3] y [16], este trabajo se amplió para permitir la reconfiguración del dispositivo para soportar diversos modos de ejercicio distintos. 15 new. In [3] and [16], this work was extended to allow reconfiguration of the device to support various different exercise modes.
Es por tanto un objetivo de la invención proporcionar un dispositivo que presente un diseño reconfigurable. Su implementación es simple y el dispositivo puede construirse It is therefore an object of the invention to provide a device that has a reconfigurable design. Its implementation is simple and the device can be built
20 ensamblando piezas disque se pueden llevar comercialmente. Debido a su capacidad de reconfiguración, el dispositivo permite tanto ejercicios de rango de movimiento de RoM/fortalecimiento como ejercicios de equilibrio/propiocepción. 20 assembling disque pieces can be carried commercially. Due to its reconfiguration capability, the device allows both RoM / strengthening range of motion exercises and equilibrium / proprioception exercises.
25 Según una forma de realización de la presente invención, el dispositivo puede abarcar todo el rango complejo del tobillo humano para ejercicios de RoM/fortalecimiento. El dispositivo puede soportar el peso humano durante ejercicios de equilibrio/propiocepción. También se permiten ejercicios de articulaciones metatarsofalángicas por medio del According to an embodiment of the present invention, the device can cover the entire complex range of the human ankle for RoM / strengthening exercises. The device can support human weight during balance / proprioception exercises. Metatarsophalangeal joint exercises are also allowed through the
30 diseño reconfigurable de la placa de base. 30 reconfigurable design of the motherboard.
Según una forma de realización de la presente invención, el dispositivo puede utilizarse como herramienta de medición clínica. Los movimientos, fuerzas e impedancias a nivel de la articulación del tobillo pueden determinarse para asistir en los diagnósticos. According to an embodiment of the present invention, the device can be used as a clinical measurement tool. The movements, forces and impedances at the level of the ankle joint can be determined to assist in diagnoses.
Según una forma de realización de la presente invención, el dispositivo es ergonómico, permite todo el rango de movimiento del tobillo humano. El dispositivo es ligero y que se puede llevar; por tanto, es portátil. El dispositivo es intrínsecamente seguro debido a la elección de sus actuadores. According to an embodiment of the present invention, the device is ergonomic, allowing the entire range of movement of the human ankle. The device is lightweight and can be carried; Therefore, it is portable. The device is intrinsically safe due to the choice of its actuators.
5 Según una forma de realización de la presente invención, el dispositivo presenta un rendimiento de control mayor que dispositivos similares debido a su estructura cinemática paralela y ancho de banda optimizado. 5 According to an embodiment of the present invention, the device has a higher control performance than similar devices due to its parallel kinematic structure and optimized bandwidth.
10 Según una forma de realización de la presente invención, el dispositivo soporta movimientos complejos del pie y no se limita a un único grado de libertad como es el caso en muchos diseños existentes. 10 According to an embodiment of the present invention, the device supports complex movements of the foot and is not limited to a single degree of freedom as is the case in many existing designs.
Según una forma de realización de la presente invención, el dispositivo está programado According to an embodiment of the present invention, the device is programmed
15 para guiar o asistir al paciente o aplicar una resistencia para el mismo durante la terapia física y está implementado con un sistema informático. Los niveles de asistencia y resistencia son ajustables mediante software. El dispositivo puede programarse también para estimar parámetros de articulación del tobillo, tales como el tono y la impedancia del tobillo. 15 to guide or assist the patient or apply resistance to it during physical therapy and is implemented with a computer system. The assistance and resistance levels are adjustable by software. The device can also be programmed to estimate ankle joint parameters, such as tone and impedance of the ankle.
20 Los aspectos del dispositivo según la presente invención se refieren a robots de rehabilitación, rehabilitación asistida por robot, dispositivos para terapia física, exoesqueletos con realimentación de fuerzas, interfaces hápticas para tratamiento médico, dispositivos de medición clínicos, sistemas de rehabilitación para el tobillo, The aspects of the device according to the present invention are related to rehabilitation robots, robot-assisted rehabilitation, physical therapy devices, exoskeletons with force feedback, haptic interfaces for medical treatment, clinical measuring devices, ankle rehabilitation systems,
25 ortesis de tobillo, dispositivos de rehabilitación para la fisioterapia para el tobillo, dispositivos para evaluar la función del tobillo, determinación de la impedancia del tobillo. 25 ankle orthoses, rehabilitation devices for physiotherapy for the ankle, devices for assessing the function of the ankle, determining the impedance of the ankle.
Breve descripción de los dibujos Brief description of the drawings
30 La figura 1 es una vista en perspectiva del dispositivo; Figure 1 is a perspective view of the device;
la figura 2 es una vista lateral del dispositivo en configuración 3UPS; Figure 2 is a side view of the device in 3UPS configuration;
la figura 3 es una vista en perspectiva del dispositivo cuando se comporta como un 35 mecanismo 3RPS; la figura 4 es una vista en perspectiva del dispositivo cuando se comporta como un mecanismo 3UPS (el eslabón del medio representa el pie y el tobillo humano); Figure 3 is a perspective view of the device when it behaves like a 3RPS mechanism; Figure 4 is a perspective view of the device when it behaves like a 3UPS mechanism (the middle link represents the foot and the human ankle);
la figura 5 es una vista en perspectiva del elemento de articulación utilizado en el 5 dispositivo en posición desbloqueada; Figure 5 is a perspective view of the articulation element used in the 5 device in unlocked position;
la figura 6 es una vista en perspectiva del elemento de articulación utilizado en el dispositivo en posición bloqueada; Figure 6 is a perspective view of the articulation element used in the device in locked position;
10 la figura 7 es un diagrama de bloques del controlador de posición robusto con observador de par de torsión de reacción; Figure 7 is a block diagram of the robust position controller with reaction torque observer;
15 La siguiente descripción de las formas de realización preferidas es simplemente a modo de ejemplo y de ningún modo pretende limitar la invención, su aplicación o utilizaciones. The following description of the preferred embodiments is simply by way of example and in no way intended to limit the invention, its application or uses.
Un dispositivo (1) de exoesqueleto de medición y terapia para el tobillo que comprende; An exoskeleton measuring device (1) for the ankle comprising;
20 una plataforma móvil (2) orientada hacia el pie del usuario, 20 a mobile platform (2) oriented towards the user's foot,
una plataforma de base (3) orientada hacia la pierna del usuario, a base platform (3) facing the user's leg,
un elemento de conexión (4) que conecta la plataforma de base (3) y la plataforma móvil 25 (2). a connection element (4) that connects the base platform (3) and the mobile platform 25 (2).
El dispositivo (1) de exoesqueleto comprende además un elemento de articulación (5) que conecta el elemento de conexión (4) a la plataforma de base (3). Mediante la ayuda de dicho elemento de articulación (5), el dispositivo (1) de exoesqueleto puede soportar The exoskeleton device (1) further comprises an articulation element (5) that connects the connection element (4) to the base platform (3). By means of the aid of said articulation element (5), the exoskeleton device (1) can support
30 dos tipos de ejercicio diferentes, concretamente ejercicios de RoM/fortalecimiento y ejercicios de equilibrio/propiocepción independientemente entre sí. El elemento de articulación (5) puede estar selectivamente en modos diferentes. En la forma de realización preferida de la invención cambia entre una articulación universal y una articulación de revolución. 30 two different types of exercise, specifically RoM / strengthening exercises and balance / proprioception exercises independently of each other. The articulation element (5) can be selectively in different modes. In the preferred embodiment of the invention it changes between a universal joint and a revolution joint.
En la forma de realización preferida de la invención, el elemento de conexión (4) está conectado a la plataforma móvil (2) mediante la utilización de articulaciones esféricas. In the preferred embodiment of the invention, the connecting element (4) is connected to the mobile platform (2) by the use of spherical joints.
La articulación del tobillo puede modelarse como una cadena cinemática en serie The ankle joint can be modeled as a serial kinematic chain
5 espacial con dos articulaciones de revolución (RR, revolute joint) concretamente una articulación superior del tobillo y una articulación subtalar. La articulación superior del tobillo soporta el movimiento de dorsiflexión/plantarflexión mientras que la articulación subtalar soporta el movimiento de supinación/pronación rotacional. La rotación de supinación/pronación es un movimiento complejo que presenta componentes tanto de 5 space with two joints of revolution (RR, revolute joint) specifically a upper ankle joint and a subtalar joint. The upper joint of the ankle supports dorsiflexion / plantarflexion movement while the joint Subtalar supports rotational supination / pronation movement. Rotation of supination / pronation is a complex movement that presents both components of
10 inversión/eversión como de abducción/aducción. 10 investment / aversion as abduction / adduction.
La cadena cinemática utilizada en la forma de realización preferida de la invención es la cadena cinemática cerrada (mecanismo paralelo). Dicha cadena cinemática cerrada sirve como exoesqueleto y permite y soporta los movimientos naturales de las articulaciones The kinematic chain used in the preferred embodiment of the invention is the closed kinematic chain (parallel mechanism). Said closed kinematic chain serves as an exoskeleton and allows and supports the natural movements of the joints
15 humanas cuando el usuario lleva puesto el dispositivo (1). La cadena cinemática cerrada ofrece diseños compactos con rigidez alta y presenta una inercia efectiva baja. Los actuadores de las cadenas cinemáticas cerradas pueden estar fijados a una base o situarse en partes del mecanismo que experimentan aceleraciones bajas. 15 human when the user is wearing the device (1). The closed kinematic chain offers compact designs with high rigidity and has low effective inertia. The actuators of the closed kinematic chains can be fixed to a base or placed in parts of the mechanism that experience low accelerations.
20 La cadena cinemática cerrada utilizada en esta invención puede utilizarse como al menos dos mecanismos diferentes mediante la ayuda del elemento de articulación (5). Gracias a este hecho, el dispositivo (1) consigue la propiedad de ser reconfigurable. En la realización preferida de la invención puede utilizarse como mecanismos 3UPS (universal, prismático, esférico) y 3RPS (de revolución, prismático, esférico) independientemente The closed kinematic chain used in this invention can be used as at least two different mechanisms by means of the articulation element (5). Thanks to this fact, the device (1) achieves the property of being reconfigurable. In the preferred embodiment of the invention 3UPS (universal, prismatic, spherical) and 3RPS (revolution, prismatic, spherical) mechanisms can be used independently
25 entre sí. 25 each other.
En la forma de realización preferida de la invención, el elemento de articulación (5) es la articulación reconfigurable que puede utilizarse selectivamente en las posiciones desbloqueada o bloqueada. En posición desbloqueada, la articulación reconfigurable (5) 30 puede rotar libremente alrededor de dos ejes (A, B). El primer eje (A) es tangencial a la placa de base (3) mientras que el segundo eje (B) es perpendicular a la placa de base (3). Cuando la articulación (5) está desbloqueada, una serie de articulaciones de revolución funcionan como articulación universal rotando sobre dichos ejes deseados. Cuando el segundo eje de articulación (B) está bloqueado, la articulación reconfigurable 35 (5) se limita a funcionar como articulación de revolución, que puede rotar sólo alrededor In the preferred embodiment of the invention, the articulation element (5) is the reconfigurable joint that can be selectively used in the unlocked or locked positions. In the unlocked position, the reconfigurable joint (5) 30 can freely rotate around two axes (A, B). The first axis (A) is tangential to the base plate (3) while the second axis (B) is perpendicular to the base plate (3). When the joint (5) is unlocked, a series of revolution joints function as a universal joint rotating on said desired axes. When the second joint axis (B) is locked, the reconfigurable joint 35 (5) is limited to function as a revolution joint, which can rotate only around
del primer eje (A). Por tanto, la articulación reconfigurable (5) permite reconfigurar un mecanismo 3UPS en un mecanismo 3RPS, y viceversa. of the first axis (A). Therefore, the reconfigurable joint (5) allows reconfiguring a 3UPS mechanism in a 3RPS mechanism, and vice versa.
El elemento de conexión (4) comprende básicamente una unidad (6) de accionamiento y The connecting element (4) basically comprises a drive unit (6) and
5 un elemento móvil (7). La unidad (6) de accionamiento puede aplicar la fuerza necesaria sobre el elemento móvil (7), de modo que el elemento móvil (7) pueda moverse. En la realización preferida de la invención, la unidad (6) de accionamiento es un motor eléctrico mientras que el elemento móvil (7) es al menos un eslabón extensible. 5 a mobile element (7). The drive unit (6) can apply the necessary force on the mobile element (7), so that the mobile element (7) can move. In the preferred embodiment of the invention, the drive unit (6) is an electric motor while the mobile element (7) is at least one extensible link.
10 En el caso en el que la cadena cinemática cerrada se utiliza como mecanismo 3UPS, la articulación reconfigurable (5) está en posición desbloqueada, en otras palabras puede rotar sobre los ejes deseados (A, B), se comporta como una articulación universal. Además, la pierna del usuario se comporta como eslabón central del mecanismo, en otras palabras el tobillo del usuario pasa a ser un elemento del mecanismo. En la 10 In the case where the closed kinematic chain is used as a 3UPS mechanism, the reconfigurable joint (5) is in the unlocked position, in other words it can rotate on the desired axes (A, B), it behaves like a universal joint. In addition, the user's leg behaves as the central link of the mechanism, in other words the user's ankle becomes an element of the mechanism. In the
15 realización preferida de la invención, el mecanismo es un mecanismo 3UPS simétrico en el que la articulación universal (5) y las articulaciones esféricas están separadas 120º a lo largo de la circunferencia de la plataforma de base (3) y la plataforma móvil (2). Cuando el usuario lo lleva puesto, el mecanismo 3UPS unido al tobillo humano presenta dos grados de libertad (gdl) correspondientes a un movimiento acoplado de la plataforma 15 preferred embodiment of the invention, the mechanism is a symmetric 3UPS mechanism in which the universal joint (5) and the spherical joints are 120 ° apart along the circumference of the base platform (3) and the mobile platform (2 ). When the user is wearing it, the 3UPS mechanism attached to the human ankle has two degrees of freedom (gdl) corresponding to a coupled platform movement
20 móvil (2) con respecto a la plataforma de base fija (3). Las longitudes de los eslabones extensibles (7) se accionan para controlar estos gdl. La plataforma móvil (2) está a una distancia z de la plataforma de base (3) y no presenta movimiento traslacional transversal al eje vertical a través de la base (2). Incluso cuando el usuario es completamente pasivo, el mecanismo 3UPS de dos gdl presenta tres articulaciones accionadas; por tanto, es un 20 mobile (2) with respect to the fixed base platform (3). The lengths of the extensible links (7) are actuated to control these gdl. The mobile platform (2) is at a distance z from the base platform (3) and has no translational movement transverse to the vertical axis through the base (2). Even when the user is completely passive, the two-gdl 3UPS mechanism has three driven joints; therefore it is a
25 mecanismo redundante. Esta redundancia puede aprovecharse para aumentar el espacio de trabajo efectivo del dispositivo (1), puesto que la resolución de singularidades se vuelve viable en el caso en el que el dispositivo (1) aproxima las singularidades dentro del espacio de trabajo. 25 redundant mechanism. This redundancy can be used to increase the effective working space of the device (1), since the resolution of singularities becomes viable in the case in which the device (1) approximates the singularities within the workspace.
30 En el caso en el que la cadena cinemática cerrada se utiliza como mecanismo 3RPS, la articulación reconfigurable (5) está en posición bloqueada, en otras palabras se impide el movimiento rotacional de la articulación (5) sobre el segundo eje (B). La articulación reconfigurable (5) se comporta como una articulación de revolución y sus ejes de rotación están orientados a lo largo de las tangentes de la plataforma de base (3). La plataforma 30 In the case where the closed kinematic chain is used as a 3RPS mechanism, the reconfigurable joint (5) is in the locked position, in other words the rotational movement of the joint (5) on the second axis (B) is prevented. The reconfigurable joint (5) behaves like a revolution joint and its rotation axes are oriented along the tangents of the base platform (3). The platform
35 de base (3) está unida a la mitad superior de la pantorrilla de la pierna a través de una articulación de revolución pasiva para permitir las rotaciones internas/externas del pie. En la realización preferida de la invención, el mecanismo es un mecanismo 3RPS simétrico en el que las articulaciones de revolución (5) y las articulaciones esféricas están separadas 120º a lo largo de la circunferencia de la plataforma de base (3) y la plataforma móvil (2). El mecanismo 3RPS presenta tres gdl correspondientes a la altura 35 base (3) is attached to the upper half of the calf of the leg through a passive revolution joint to allow internal / external rotations of the foot. In the preferred embodiment of the invention, the mechanism is a symmetrical 3RPS mechanism in which the revolution joints (5) and the spherical joints are 120 ° apart along the circumference of the base platform (3) and the mobile platform (2). The 3RPS mechanism has three gdl corresponding to the height
5 z. Las longitudes de los eslabones extensibles (7) se accionan para controlar estos gdl. La plataforma móvil (2) presenta movimiento traslacional limitado transversal al eje vertical a través de la base (3) y sin singularidades para valores limitados de los ángulos de articulación de revolución. 5 z. The lengths of the extensible links (7) are actuated to control these gdl. The mobile platform (2) has limited translational movement transverse to the axis vertical through the base (3) and without singularities for limited angle values of articulation of revolution.
10 Cuando la cadena cinemática cerrada está en el modo 3UPS, el dispositivo (1) puede emplearse como dispositivo de ejercicio de RoM/fortalecimiento mientras que en el modo 3RPS (1) puede emplearse como dispositivo de ejercicio de equilibrio/propiocepción. 10 When the closed kinematic chain is in 3UPS mode, the device (1) can be used as an RoM / strengthening exercise device while in 3RPS mode (1) it can be used as a balance / proprioception exercise device.
Los acoplamientos entre el dispositivo (1) de exoesqueleto y el usuario están diseñados The couplings between the exoskeleton device (1) and the user are designed
15 para ser elásticos para garantizar la seguridad y para permitir desalineamientos de articulación e imperfecciones de modelado pequeños. La elasticidad permite el movimiento relativo de la extremidad humana con respecto al dispositivo (1) cuando la cinemática del dispositivo (1) está en conflicto con el movimiento natural del tobillo. 15 to be elastic to ensure safety and to allow joint misalignments and small modeling imperfections. The elasticity allows the relative movement of the human limb with respect to the device (1) when the kinematics of the device (1) is in conflict with the natural movement of the ankle.
20 En una forma de realización de la invención, el peso del dispositivo (1) se distribuye por el muslo y la mitad superior de la pantorrilla utilizando correas apretadas alrededor de la rodilla. In an embodiment of the invention, the weight of the device (1) is distributed along the thigh and upper half of the calf using straps tight around the knee.
En otra forma de realización de la invención, el peso del dispositivo (1) puede distribuirse 25 por el cuerpo suspendiendo el dispositivo (1) desde el hombro del usuario. In another embodiment of the invention, the weight of the device (1) can be distributed throughout the body by suspending the device (1) from the user's shoulder.
El dispositivo (1) de exoesqueleto comprende además una unidad de control (no mostrada en las figuras) y al menos dos sensores (no mostrados en las figuras). Uno de los sensores mide la longitud del elemento de conexión (4) mientras que el segundo 30 sensor mide la cantidad de rotación axial del elemento de articulación (5). Los datos medidos de los elementos se procesan mediante la unidad de control para calcular la configuración del dispositivo (1) y estimar las fuerzas que actúan sobre el mismo (1). En particular, la cinemática directa del dispositivo (1) se utiliza para calcular la configuración de la plataforma móvil (2), mientras que la dinámica del dispositivo (1) se utiliza con un The exoskeleton device (1) further comprises a control unit (not shown in the figures) and at least two sensors (not shown in the figures). One of the sensors measures the length of the connection element (4) while the second sensor measures the amount of axial rotation of the articulation element (5). The measured data of the elements is processed by the control unit to calculate the configuration of the device (1) and estimate the forces acting on it (1). In particular, the direct kinematics of the device (1) is used to calculate the configuration of the mobile platform (2), while the dynamics of the device (1) is used with a
35 observador de par de torsión de reacción implementado en software para estimar las fuerzas que actúan sobre el mismo (1). 35 reaction torque observer implemented in software to estimate the forces acting on it (1).
Para estimar los parámetros de tobillo, deben conocerse las longitudes de eslabón (7) de la cadena cinemática junto con los ejes de rotación de las articulaciones de revolución. La determinación de las longitudes óseas del usuario es relativamente sencilla ya que 5 pueden estudiarse las imágenes de rayos x del tobillo para lograr estimaciones razonablemente precisas. Sin embargo, la determinación de los ejes de rotación supone un desafío puesto que el movimiento del tobillo depende del tamaño y la orientación de los huesos del pie, y la forma de las superficies articuladas. Sólo pueden obtenerse estimaciones de trayectoria de los ejes de articulación estudiando las imágenes de rayos To estimate the ankle parameters, the link lengths (7) of the kinematic chain must be known together with the axes of rotation of the revolution joints. The determination of the user's bone lengths is relatively simple since 5 x-ray images of the ankle can be studied to achieve reasonably accurate estimates. However, the determination of the axes of rotation is a challenge since the movement of the ankle depends on the size and orientation of the bones of the foot, and the shape of the articulated surfaces. Only trajectory estimates of the articulation axes can be obtained by studying the ray images
10 x. Se desean estimaciones más precisas de los ejes de articulación para estudiar el movimiento de tobillo y tales estimaciones resultan posibles gracias a los datos recopilados con el exoesqueleto. 10 x More precise estimates of the articulation axes are desired to study the ankle movement and such estimates are made possible by the data collected with the exoskeleton.
Dadas unas adecuadas estimaciones de las longitudes óseas, los ejes de rotación de las Given adequate estimates of bone lengths, the axes of rotation of the
15 articulaciones de revolución del tobillo humano pueden determinarse ordenando al usuario que realice movimientos de RoM libres y recopilando los datos de posición de los eslabones extensibles (7) y preferentemente tres sensores de rotación situados en el elemento de articulación (5). A medida que los datos están disque se pueden llevar, se resuelve la cinemática directa a nivel de configuración del mecanismo 3UPS para las 15 human ankle revolution joints can be determined by ordering the user to perform free RoM movements and collecting the position data of the extensible links (7) and preferably three rotation sensors located in the articulation element (5). As the data is available, the direct kinematics at the configuration level of the 3UPS mechanism for the data are resolved.
20 configuraciones de plataforma móvil (2) en cada instante de tiempo. Una vez registradas las configuraciones del pie, se resuelve la cinemática inversa a nivel de configuración del manipulador de dos eslabones RR con desconocimiento de los ejes de articulación de revolución (que representan el tobillo humano) para los ejes de articulaciones de revolución y la cantidad de rotación alrededor de estos ejes. 20 mobile platform configurations (2) at each instant of time. Once the foot configurations have been registered, the inverse kinematics at the configuration level of the two-link RR manipulator with ignorance of the revolution articulation axes (representing the human ankle) for the revolution articulation axes and the amount of revolution are resolved. rotation around these axes.
25 Dada la cinemática directa e inversa a nivel de configuración y movimiento del sistema 3UPS-RR acoplado (el exoesqueleto acoplado al tobillo humano) y sólo las propiedades dinámicas del dispositivo (1) de exoesqueleto, puede implementarse un controlador de posición robusto con un observador de par de torsión de reacción para caracterizar las 25 Given the direct and inverse kinematics at the configuration and movement level of the coupled 3UPS-RR system (the exoskeleton coupled to the human ankle) and only the dynamic properties of the exoskeleton device (1), a robust position controller with an observer can be implemented of torque to characterize the
30 propiedades dinámicas del tobillo. En particular, empleando un controlador de posición robusto, el dispositivo (1) de exoesqueleto puede ordenar al tobillo que siga una trayectoria deseada, mientras que las fuerzas de perturbación debidas a la dinámica desconocida del tobillo pueden estimarse durante este movimiento. En la implementación del controlador, las fuerzas debidas a la dinámica conocida del dispositivo (1) de 30 dynamic ankle properties. In particular, using a robust position controller, the exoskeleton device (1) can order the ankle to follow a desired trajectory, while disturbance forces due to the unknown dynamics of the ankle can be estimated during this movement. In the implementation of the controller, the forces due to the known dynamics of the device (1) of
35 exoesqueleto se añaden al sistema en un modo de avance para garantizar que la perturbación que actúa en el sistema se debe únicamente a la dinámica desconocida del tobillo. Bajo un control de este tipo, las fuerzas controladas por el controlador van a contrarrestar la dinámica no modelada del tobillo. Por tanto, las fuerzas de actuador pueden correlacionarse con los pares de torsión de articulación en el tobillo y, asumiendo que todas las demás perturbaciones son pequeñas en comparación, estos pares de Exoskeletons are added to the system in a forward mode to ensure that the disturbance acting in the system is due solely to the unknown dynamics of the ankle. Under such a control, the forces controlled by the controller will counteract the non-modeled dynamics of the ankle. Therefore, the actuator forces can be correlated with the articulation torsion torques in the ankle and, assuming that all other disturbances are small in comparison, these pairs of
5 torsión proporcionan una estimación próxima de los pares de torsión de articulación reales debido a la dinámica del tobillo. 5 torsion provide a close estimate of actual joint torque due to the dynamics of the ankle.
El dispositivo (1) de exoesqueleto puede proporcionar modos de ejercicio pasivo, activo, asistido y resistivo. Pueden implementarse túneles virtuales y campos de fuerzas en el The exoskeleton device (1) can provide passive, active, assisted and resistive exercise modes. Virtual tunnels and force fields can be implemented in the
10 interior de estos túneles para permitir la práctica segura con asistencia o resistencia. 10 inside these tunnels to allow safe practice with assistance or resistance.
Puesto que el dispositivo (1) en configuración 3UPS permite todos los movimientos posibles del tobillo dentro de su rango completo, es posible utilizar el dispositivo (1) para mediciones clínicas. En primer lugar, el dispositivo puede utilizarse para determinar el 15 rango de movimiento del paciente. Cuando el paciente mueve el tobillo, el dispositivo puede medir y anotar el historial de tiempo de este movimiento (la trayectoria). Dado el historial de tiempo medido de los movimientos, es posible determinar con qué rapidez completa el paciente un movimiento, la cantidad de error implicado con respecto a una trayectoria de referencia y la suavidad/intermitencia de estos movimientos. Puesto que se Since the device (1) in 3UPS configuration allows all possible ankle movements within its full range, it is possible to use the device (1) for clinical measurements. First, the device can be used to determine the patient's range of motion. When the patient moves the ankle, the device can measure and record the time history of this movement (the trajectory). Given the measured time history of the movements, it is possible to determine how quickly the patient completes a movement, the amount of error involved with respect to a reference trajectory and the smoothness / intermittency of these movements. Since it is
20 conoce la cinemática del dispositivo (1), también es posible correlacionar los cambios de configuración medidos con las rotaciones de la articulación del tobillo. Esta capacidad permite una medición de la orientación, la velocidad y la suavidad de los movimientos de la articulación del tobillo. La coordinación y sinergias de los movimientos de articulación también pueden detectarse a partir de estas mediciones. 20 knows the kinematics of the device (1), it is also possible to correlate the measured configuration changes with the rotations of the ankle joint. This capability allows a measurement of the orientation, speed and smoothness of the movements of the ankle joint. The coordination and synergies of joint movements can also be detected from these measurements.
25 Tal como se explicó anteriormente, empleando un controlador de posición robusto y ordenando al dispositivo (1) de exoesqueleto que siga una trayectoria deseada, pueden estimarse las fuerzas de perturbación debidas a la dinámica desconocida del tobillo durante este movimiento. Estas fuerzas también pueden correlacionarse con los pares de 25 As explained above, by employing a robust position controller and ordering the exoskeleton device (1) to follow a desired trajectory, the disturbance forces due to the unknown dynamics of the ankle during this movement can be estimated. These forces can also be correlated with the pairs of
30 torsión de articulación en el tobillo utilizando la cinemática del tobillo. Esta técnica de medición puede utilizarse para determinar los pares de torsión de articulación máximos que el paciente puede ejercer, la impedancia y el tono del tobillo del paciente, para cualquier configuración del tobillo. En particular, si la ganancia del controlador de posición robusto se ajusta para permanecer en cualquier configuración de referencia y se pide al 30 torsion of articulation in the ankle using the kinematics of the ankle. This measurement technique can be used to determine the maximum joint torque that the patient can exert, the impedance and tone of the patient's ankle, for any configuration of the ankle. In particular, if the gain of the robust position controller is adjusted to remain in any reference configuration and the
35 paciente que aplique el par de torsión máximo en las articulaciones del tobillo, entonces las fuerzas de perturbación que actúan en el controlador pueden correlacionarse con los pares de torsión de articulación para estimar los pares de torsión de articulación del tobillo humano sobre los ejes relevantes. Finalmente, dada una trayectoria de referencia especificada previamente para el controlador de posición robusto, los pares de torsión de articulación pueden estimarse en cada instante de tiempo y la relación entre la rotación A patient who applies the maximum torque to the ankle joints, then the disturbance forces acting on the controller can be correlated with the joint torque to estimate the joint torque of the human ankle on the relevant axes. Finally, given a reference path specified previously for the robust position controller, the articulation torque can be estimated at each instant of time and the relationship between the rotation
5 de articulación y los pares de torsión de articulación pueden utilizarse para estimar la impedancia y/o el tono del tobillo. 5 joint and joint torque can be used to estimate the impedance and / or tone of the ankle.
En otra realización de la invención, el dispositivo de exoesqueleto de medición y terapia para el tobillo, sin fijación a una base, que se puede llevar y reconfigurable, puede In another embodiment of the invention, the measuring and therapy exoskeleton device for the ankle, without fixation to a base, which can be carried and reconfigurable, can
10 combinarse con juegos de realidad virtual. 10 be combined with virtual reality games.
La descripción de la invención se proporciona simplemente a título de ejemplo y, por tanto, está previsto que las variaciones que no se aparten de la esencia de la invención entren dentro del alcance de la invención. Tales variaciones no han de considerarse The description of the invention is simply provided by way of example and, therefore, it is intended that variations that do not depart from the essence of the invention fall within the scope of the invention. Such variations should not be considered
15 como una desviación del espíritu y alcance de la invención. 15 as a deviation from the spirit and scope of the invention.
Referencias empleadas en la Fig. 7: References used in Fig. 7:
20 7.2 – Controlador de posición 20 7.2 - Position controller
7.4 – Dinámica acoplada del sistema de exoesqueleto humano 3UPS-RR 7.4 - Coupled dynamics of the 3UPS-RR human exoskeleton system
7.5 – Observador de par de torsión de reacción. 7.5 - Reaction torque observer.
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|---|---|---|---|
| ES201330590U ES1096032Y (en) | 2013-05-15 | 2013-05-15 | Exoskeleton measuring and therapy device for the ankle, reconfigurable |
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|---|---|---|---|
| ES201330590U ES1096032Y (en) | 2013-05-15 | 2013-05-15 | Exoskeleton measuring and therapy device for the ankle, reconfigurable |
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| Publication Number | Publication Date |
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| ES1096032U true ES1096032U (en) | 2013-12-18 |
| ES1096032Y ES1096032Y (en) | 2014-03-11 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| ES (1) | ES1096032Y (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104983547A (en) * | 2015-07-10 | 2015-10-21 | 哈尔滨天愈康复医疗机器人有限公司 | Three-degree-of-freedom wearable ankle rehabilitation medical robot |
| CN106813638A (en) * | 2017-03-15 | 2017-06-09 | 吉林大学 | A kind of 3RPS parallel robots geometric parameter discrimination method |
-
2013
- 2013-05-15 ES ES201330590U patent/ES1096032Y/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES1096032Y (en) | 2014-03-11 |
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| FG1K | Utility model granted |
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| FD1K | Utility model lapsed |
Effective date: 20230526 |