ES2319390T3 - Dispositivo de locomocion de la marcha. - Google Patents
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Abstract
Un dispositivo de locomoción de la marcha apto para que lo lleve un usuario con discapacidad, comprendiendo dicho dispositivo: un sistema de refuerzos (10) que comprende una variedad de segmentos unidos (2, 3, 4), siendo apto dicho sistema de refuerzos para adaptarse a la parte inferior del usuario con discapacidad, y comprendiendo un medio impulsor (18) apto para proporcionar un movimiento relativo entre dicha pluralidad de segmentos unidos; una unidad de sensores (20) que consta de varios sensores para monitorizar parámetros del sistema de refuerzos (10), comprendiendo dichos parámetros un ángulo de inclinación del torso y posiciones angulares de dicha pluralidad de segmentos articulados; una unidad de control (12) que comunica con la unidad de sensores (20) para recibir información de respuesta de dichos sensores, y con una interfaz hombre-máquina de dichos sensores, apta para recibir órdenes del usuario, siendo apta también la unidad de control (12) para supervisar los medios impulsores (18) y facilitar que dicho sistema de refuerzos (10) pueda ejecutar patrones de marcha y permitir que el usuario se sostenga con seguridad en una postura de parada gracias al apoyo de dichos refuerzos, utilizando un algoritmo de control de bucle cerrado y empleando dicho sistema de refuerzos ciertos parámetros, conjuntamente con las órdenes del usuario recibidas a través de dicha interfaz hombre-máquina, para seleccionar un modo de funcionamiento de entre los que componen un grupo consistente en modo de pie, modo de marcha, modo de ascenso, modo de descenso, modo de transición de yacente a sedente, modo de transición de sedente a postura de parada, modo de transición de postura de parada a marcha, modo de entrenamiento, modo de aprendizaje o una combinación de todos ellos.
Description
Dispositivo de locomoción de la marcha.
El presente invento hace referencia a un
dispositivo para ayudar a andar y a la locomoción. De forma más
específica, el presente invento hace referencia a un dispositivo
para superar las discapacidades debidas a la locomoción
limitada.
Cerca de 1,6 millones de personas tan solo en EE
UU se ven obligadas a utilizar sillas de ruedas como único medio
para su movilidad. Como consecuencia, su vida diaria se ve afectada
por innumerables obstáculos, como escaleras, pavimento irregular o
pasos estrechos. Por otro lado, la imposibilidad de adoptar una
posición de pie durante un tiempo prolongado y el tener la
movilidad limitada al tronco suelen conllevar complicaciones para
la salud. Para prevenir el rápido deterioro de la salud, es
necesario utilizar equipos económicamente costos, como
bipedestadores y caminadores, además de extensas sesiones de
fisioterapia e hidroterapia.
La estimulación eléctrica funcional (EEF) es un
método conocido, consistente en conectar electrodos en distintos
puntos del cuerpo (piernas y muslos) y aplicar impulsos eléctricos a
los músculos para provocar el movimiento muscular y, en
consecuencia, facilitar que se pueda andar. El uso de la EEF y un
caso de seguimiento se presentan en Kobetic et al.,
"Implanted Functional Stimulation System for Mobility in
Paraplegia: A Follow-Up Case Report", IEEE
Transactions on Rehabilitation Engineering, vol. 7, No. 4 pp.
390-397 (Diciembre de 1999). En este método, las
principales áreas de investigación se centran en elegir los
parámetros adecuados para las secuencias de los impulsos (amplitud,
forma, frecuencia y sincronización) y adaptar estos parámetros en
tiempo real al movimiento de andar. El documento describe un
sistema de estimulación eléctrica funcional de 16 canales que se
implantó a una persona durante más de un año. Este método demostró
su potencial contribución al ejercicio y a la función de la
movilidad en las personas con paraplejia. Si bien la EEF facilita
una marcha de base realmente muscular, el principal inconveniente
de este método radica en que su uso no está libre de esfuerzo y no
facilita una recuperación eficaz de las actividades funcionales
cotidianas.
En la patente US-4.422.453,
"External Apparatus for Vertical Stance and Walking for those with
Handicapped Motor Systems of the Lower Limbs", de Salort,
presentada en 1982, se presenta el ejemplo de un enfoque que aborda
el problema de la recuperación de la marcha. En esta patente, se
equipa el cuerpo con un corsé y una faja. El arnés incluye tiras de
metal flexible que absorben y recuperan la tensión de flexión y
torsión. La fuerza locomotora en este caso es de base corporal, al
consistir en realidad en una ortesis de marcha recíproca (RGO), un
dispositivo que ayuda a caminar pero no ofrece una solución práctica
cotidiana para las personas discapacitadas. En la patente
US-5.961.476, "Walk Assisting Apparatus", de
Betto et al., presentada en 1997, y en la patente
US-4.946.156, de Hart, presentada en 1988, se
describen otros ejemplos de dispositivos de RGO. En la primera, de
Betto, se presenta un dispositivo para ayudar a caminar consistente
en unos refuerzos completos para ambas piernas, unidos en el
cóccix, que proporciona apoyo a las piernas y permite una marcha
alterna adecuada. La segunda de estas patentes, de Hart, revela una
ortesis de marcha recíproca que consta de uniones en la cadera,
acopladas a un elemento de balanceo ajustado al muslo, y de dos
extremidades.
Por lo general, las RGO son sistemas de refuerzo
no motorizados llevados por el usuario, y la locomoción depende del
propio usuario. Cualquiera de los modelos de RGO disponibles se
adapta mejor como entrenamiento que como ayuda funcional para la
marcha.
En la patente US-5.961.541,
"Orthopedic Apparatus for Walking and Rehabilitating Disabled
Persons Including Tetraplegic Persons and for Facilitating and
Stimulating the Revival of Comatose Patients through the Use of
Electronic and Virtual Reality Units", de Farrati, presentada en
1998, se revela un sistema de refuerzos motorizado. Éste consiste
en un exoesqueleto en el que se apoya el cuerpo del paciente, unido
en las articulaciones de la cadera y la rodilla, y equipado con una
serie de pequeños impulsores diseñados para accionar las piezas
articuladas del exoesqueleto según el movimiento de marcha humano.
Aunque el sistema de refuerzos es motorizado, se trata de un
dispositivo terapéutico no destinado a las actividades locomotoras
funcionales diarias. El dispositivo está limitado a ser utilizado
en un carril o a una cinta transportadora, y el usuario no participa
en el proceso de la marcha, más allá de iniciarla y detenerla.
Otra ayuda locomotora, un sistema de rodillera
dinámica autónoma controlada electrónicamente, destinada a aportar
flexión a la ortesis de rodilla, se revela en "Automatic Control
Design for a Dynamic Knee-Brace System", de Irby
et al., IEEE Trans. Rehab. Eng., vol. 7, pp.
135-139 (1999).
Todos los dispositivos de rehabilitación
comentados en los párrafos anteriores para las personas
discapacitadas obligadas a utilizar silla de ruedas, así como los
dispositivos disponibles en las instituciones de rehabilitación se
utilizan exclusivamente para fines de recuperación física. Hasta
ahora, no se dispone de ninguna solución que facilite la
independencia en las actividades diarias y permita recuperar la
dignidad de las personas discapacitadas, facilitando enormemente su
vida, prolongando su esperanza de vida y reduciendo los costes
médicos y de otro tipo relacionados.
En el documento GB-2.301.776 se
describe un dispositivo de locomoción de la marcha consistente en un
exoesqueleto que se lleva alrededor de una parte del cuerpo y de
las piernas, y un medio de control para accionar dicho dispositivo.
Cada pieza de las piernas comprende el muslo, la espinilla y parte
del pie, una unión en la cadera, una unión en la rodilla y una
unión en el tobillo. El dispositivo comprende impulsores para mover
las partes del muslo, la espinilla y el pie de los segmentos de las
piernas. Cada parte de la pierna se controla con un medio de
control individual, que comprende preferentemente una palanca de
mando configurada de forma similar a la parte correspondiente de la
pierna. Al mover la palanca de mando, se transducen señales a
diferentes partes de la pierna, donde generan movimientos
similares a los efectuados en la palanca. Los movimientos se compensan mediante control de retorno negativo.
similares a los efectuados en la palanca. Los movimientos se compensan mediante control de retorno negativo.
En el documento US-4.697.808 se
describe un sistema de ayuda a la marcha que comprende un par de
refuerzos recíprocos y electrodos de estimulación controlados
informáticamente para estimular la extensión alterna de la cadera
izquierda y derecha de la persona. Los refuerzos comprenden partes
de la pierna izquierda y derecha y están equipados con cierres a la
altura de las rodillas, que pueden desbloquearse para permitir que
se adopte una posición sedente. Preferentemente, las uniones de la
rodilla se dotan de sensores del ángulo de flexión, para que la
estimulación de los músculos extensores de la rodilla en las
posiciones de pie o sedente puedan efectuarse con pleno control del
bucle cerrado.
En el documento US-5.476.441 se
describe una ortesis de freno controlado que proporciona un
movimiento controlado de la extremidad e incluye un estimulador
para la estimulación de músculos individuales de la pierna
responsables del movimiento de las piernas. Al controlar el
estimulador y los frenos con un sistema informático, es posible
controlar el movimiento de las piernas responsable de la marcha.
El objeto del presente invento es el de
proporcionar un dispositivo innovador y único de locomoción de la
marcha, consistente en una ortesis ligera y desmontable de acción
locomotora de la marcha.
Constituye también un objeto del presente
invento proporcionar un dispositivo de locomoción de la marcha que
permita al usuario participar en el proceso de recuperación de la
marcha.
Constituye un objeto más del presente invento
proporcionar un dispositivo de locomoción de la marcha en el que se
utilicen los movimientos naturales e involuntarios del torso
(inclinaciones) para iniciar y mantener la marcha, así como
determinar los distintos parámetros sin la necesidad de utilizar las
manos o la voz para transmitir órdenes al dispositivo. El
dispositivo del presente invento ofrece, por primera vez, una
solución práctica a muchas de las funciones relacionadas con la
movilidad cotidiana.
Constituye un objeto adicional del presente
invento permitir a las personas discapacitadas poder andar
utilizando un dispositivo de locomoción de la marcha.
Es por ello que se presenta un dispositivo de
locomoción de la marcha según se describe en las
reivindicaciones
1-61.
1-61.
En la figura 1a se ilustran un diagrama de
bloques de un dispositivo de locomoción de la marcha correspondiente
a una forma de realización preferente del presente invento;
En la figura 1b se ilustra una visión frontal
(i) y una visión lateral (ii) de un dispositivo de locomoción de la
marcha correspondiente a una forma de realización preferente del
presente invento, llevado por un usuario;
En la figura 2a se ilustra una vista lateral
esquemática de un motor lineal, de tronco a muslo, correspondiente
a una forma de realización preferente del presente invento;
En la figura 2b se ilustra una vista lateral
esquemática de un motor lineal, de tronco a muslo, correspondiente
a otra forma de realización preferente del presente invento;
En la figura 3a se ilustra una vista lateral
esquemática de un motor lineal, de tronco a pierna, correspondiente
a una forma de realización preferente del presente invento;
En la figura 3b se ilustra una vista lateral
esquemática de un motor de músculo neumático, de tronco a pierna,
correspondiente a una forma de realización preferente del presente
invento;
En la figura 4 se ilustra un modelo de
motorización de los refuerzos correspondiente a una forma de
realización preferente del presente invento;
En la figura 5a se ilustra gráficamente la
fuerza máxima necesaria del motor del muslo en relación con el
ángulo del muslo (\theta_{L} = \theta_{T}) para varios
ángulos de inclinación, \alpha_{T} (los cálculos se llevaron a
cabo respecto al modelo ilustrado en la figura 4);
En la figura 5b se ilustra gráficamente la
distancia posible entre el forzador y la cadera, en relación con el
ángulo del muslo (\theta_{T}) para varios ángulos de inclinación
\alpha_{T} (los cálculos se llevaron a cabo respecto al modelo
ilustrado en la figura 4);
En la figura 6 se ilustra gráficamente la fuerza
posible del motor del muslo, en relación con el ángulo de la pierna
(\theta_{L}) para varios ángulos del muslo, \theta_{T}. En
ángulo de la pierna para cada ángulo del muslo oscila entre -20º y
\theta_{L} = \theta_{T} (extremidad extendida),
\alpha_{T} = 70º (los cálculos se llevaron a cabo respecto al
modelo ilustrado en la figura 4);
En la figura 7a se ilustra gráficamente la
posible fuerza necesaria del motor de la pierna, en relación con el
ángulo de la pierna (\theta_{T} = 25º) para varios ángulos de
inclinación, \alpha_{L} (los cálculos se llevaron a cabo
respecto al modelo ilustrado en la figura 4);
En la figura 7b se ilustra gráficamente la
distancia posible entre el forzador y la rodilla, en relación con
el ángulo de la pierna (\theta_{T} = 25º) para varios ángulos de
inclinación \alpha_{L} (los cálculos se llevaron a cabo
respecto al modelo ilustrado en la figura 4);
En la figura 8 se ilustra gráficamente la
posible fuerza de empuje del motor de la pierna, en relación con el
ángulo de la pierna (\theta_{L}) para varios ángulos del
muslo,\Theta_{T}; el ángulo de la pierna para cada ángulo del
muslo oscila entre -20º y \theta_{L} = \theta_{T}
(extremidad extendida), (los cálculos se llevaron a cabo respecto
al modelo ilustrado en la figura 4);
En la figura 9a se ilustra una representación
esquemática de un motor lineal con una disposición de doble
palanca, correspondiente a otra forma de realización preferente del
presente invento;
En la figura 9b se ilustra una representación
esquemática de un motor lineal con una disposición de rueda
dentada, correspondiente a otra forma de realización preferente del
presente invento;
En la figura 9c se ilustra una representación
esquemática de un motor lineal, de doble accionamiento,
correspondiente a otra forma de realización preferente del presente
invento;
En la figura 10 se ilustra una vista lateral
esquemática de impulsores de músculo neumático, del tronco al muslo
y del muslo a la pierna, correspondientes a una forma de realización
adicional preferente del presente invento;
En las figuras 11a y 11 se ilustran vistas
laterales esquemáticas de dos configuraciones opcionales de motores
giratorios de tronco a muslo accionados por engranajes,
correspondientes a otras formas de realización preferentes del
presente invento;
En la figura 11c se ilustra una vista lateral
esquemática de un motor giratorio, de tronco a muslo,
correspondiente a otra forma de realización preferente del presente
invento;
En la figura 12 se ilustra un gráfico
esquemático de una modalidad de control en tiempo real
correspondiente a una forma de realización preferente del presente
invento;
En la figura 13 se ilustra un algoritmo de modo
de marcha correspondiente a una forma de realización del presente
invento;
En la figura 14 se ilustra un procedimiento de
transición de postura yacente a sedente, correspondiente a una
forma de realización preferente del presente invento;
En la figura 15 se ilustra una vista lateral
esquemática de unos palos laterales unidos al sistema de refuerzos,
correspondientes a una forma de realización preferente del presente
invento;
En la figura 16a se ilustra una vista lateral
esquemática de un zapato izquierdo correspondiente a una forma de
realización preferente del presente invento;
En la figura 16b se ilustra una vista lateral
esquemática del zapato izquierdo que se muestra en la figura
16a;
En la figura 17 se ilustra un algoritmo de modo
de descenso correspondiente a una forma de realización preferente
del presente invento;
En la figura 18 se ilustra un diagrama de
bloques de un dispositivo de locomoción de la marcha correspondiente
a otra forma de realización preferente del presente invento, que
incorpora un sistema de EEF;
En la figura 19 se ilustra un algoritmo de modo
de marcha correspondiente a otra forma de realización preferente
del presente invento, que incorpora un sistema de EEF;
En la figura 20 se ilustran las fases del patrón
de marcha ejemplificadas en una única extremidad y correspondientes
a una forma de realización preferente del presente invento.
El dispositivo de locomoción de la marcha del
presente invento es un sistema único de refuerzo motorizado para
las extremidades inferiores del cuerpo, unido al cuerpo del usuario
preferentemente debajo de la ropa, que capacita al usuario para
recuperar sus actividades diarias, especialmente la capacidad
postural y de marcha. Además de la postura de parada y la
locomoción, el dispositivo de locomoción de la marcha apoya otras
funciones relacionadas con la movilidad, como las transiciones
entre posición vertical y posición sedente o el subir y bajar
escaleras. El dispositivo de locomoción de la marcha es apto para
discapacitados con paraplejia, cuadroplejia, hemiplejía, parálisis
causada por poliomielitis e individuos con graves dificultades para
la marcha.
El objetivo principal del presente invento es el
de proporcionar un dispositivo que permita la postura vertical y la
locomoción mediante un sistema independiente que, por lo general,
comprende una estructura de apoyo desmontable y ligera, además de
medios impulsores y control. El dispositivo de locomoción de la
marcha del presente invento permite compensar la incompetencia del
tono postural, además de reconstituir el mecanismo fisiológico del
apoyo podal y el caminar. En consecuencia, este dispositivo permite
reducir la necesidad de utilizar silla de ruedas entre el colectivo
de personas discapacitadas, además de proporcionar una mayor
independencia y capacidad para superar obstáculos, como la
presencia de escaleras.
A continuación se hará referencia a la figura
1ª, en la que se ilustra un diagrama de bloques de un dispositivo
de locomoción de la marcha correspondiente a una forma de
realización preferente del presente invento. El dispositivo de
locomoción de la marcha del presente invento comprende un sistema de
refuerzos 10 que sostiene partes del cuerpo, como un corsé pélvico
y las ortesis de los muslos y las piernas. Todos los elementos de
refuerzo del sistema de refuerzos 10 son suficientemente rígidos
para sostener un cuerpo de peso medio, pero lo bastante ligeros
como para no suponer una carga adicional para el cuerpo del usuario.
El sistema de refuerzos 10 contiene medios impulsores (por ejemplo
motores y baterías) acoplados a las piezas de la parte inferior del
cuerpo y a las extremidades, como se explicará más detalladamente a
continuación.
Una unidad de control 12, de dimensiones
relativamente pequeñas, se monta preferentemente también en el
cuerpo, y monitoriza la acción del sistema de refuerzos 10 y
proporciona movimientos posturales y de marcha. La unidad de
control 12 ejecuta programas y algoritmos mediante un procesador 14
incorporado que interacciona constantemente con los movimientos de
la parte superior del cuerpo, de modo que, con la ayuda del usuario,
se logra la estabilidad y ciertos patrones de marcha. La unidad de
control 12 envía órdenes al sistema 10 a través de los impulsores
de potencia 18. La unidad de control 12 incluye también un circuito
electrónico dedicado 26. Una unidad de sensores 20, compuesta por
varios sensores, monitoriza los parámetros del sistema de refuerzos
10, como el ángulo de inclinación del torso, los ángulos de
articulación, la carga del motor y las alertas, y transfiere la
información a la unidad de control 12 a través de las interfaces de
respuesta 22. También es posible transferir información selectiva
de los sensores a la unidad de seguridad 24. Entre los componentes
de la unidad de sensores 20 se incluyen los sensores de inclinación
y de aceleración, situados en el torso. Estos sensores detectan y
miden los ángulos de inclinación, las velocidades angulares y las
aceleraciones.
El dispositivo de locomoción de la marcha
comprende también una interfaz hombre-máquina, IHM
16, a través de la cual la persona controla los modos de
funcionamiento y los parámetros del dispositivo, como el modo de
marcha o el modo de postura de pie o sedente. Preferentemente, el
usuario podría recibir varias indicaciones a través de la IHM 16, o
transferir sus órdenes y cambiar los engranajes del motor, a
voluntad, mediante el teclado 17.
El dispositivo de locomoción de la marcha
comprende también una unidad de potencia 28 que consta
preferentemente de baterías recargables y sus circuitos
relacionados.
La unidad de seguridad 24 actúa también como
unidad de pruebas incorporada (BIT, del inglés
"built-in-test"), que podría
recibir señales de respuesta enviadas por los componentes del
dispositivo de locomoción de la marcha, y genera señales de prueba.
El objetivo de la unidad de seguridad 24 es el de prevenir las
situaciones de riesgo y las anomalías del sistema.
Como se ha mencionado, el sistema de refuerzos
10 comprende refuerzos y medios impulsores. Los refuerzos actúan
como una estructura de sujeción, ligera y desmontable, que permite
compensar la incompetencia del tono postural además de reconstituir
el mecanismo fisiológico del apoyo podal y la acción de caminar. La
sujeción que proporcionan los refuerzos se obtiene en sentido
ascendente, desde los pies y el tobillo, preferentemente hasta el
torso, dependiendo del nivel de la lesión (en el caso de lesiones
medulares) o la gravedad de la discapacidad. En el mercado se
comercializan habitualmente refuerzos ligeros y desmontables. Así,
por ejemplo, se puede encontrar un corsé rígido que sujeta y apoya
el abdomen y la zona pélvica, así como ortesis que sujetan y apoyan
la cadera, las rodillas y los tobillos, fabricados por AliMed Inc.
o por Nor Cal Design. En los párrafos precedentes se han mencionado
también otros dispositivos de refuerzo descritos en otras patentes
(US-5.961.476 y US-4.946.156). Los
sistemas de refuerzos disponibles sujetan y apoyan el torso, los
muslos, las piernas y los pies y se proporcionan con articulaciones
en los puntos de articulación de las caderas, las rodillas y los
tobillos. El sistema de refuerzos del presente invento se divide
por lo general en segmentos adyacentes al tronco, los muslos, las
piernas y los pies.
A continuación se hará referencia a la figura
1b, en la que se ilustran una visión frontal (i) y una visión
lateral (ii) de un dispositivo de locomoción de la marcha
correspondiente a una forma de realización preferente del presente
invento, llevado por un usuario. Como se ha mencionado, los
segmentos de refuerzo del sistema de refuerzos se llevan en
contacto con las zonas del cuerpo del usuario. Un refuerzo pélvico 1
se lleva en el tronco, en la zona inferior del cuerpo. Los
refuerzos de los muslos 2 se llevan adyacentes a los muslos,
mientras que los refuerzos de los pies 3 se llevan
correspondientemente en las piernas y los pies. Se acoplan unos
zapatos estabilizadores 4 a la parte inferior de los soportes 3 de
los pies y las piernas, como se explicará más adelante. En las
uniones entre los segmentos del sistema de refuerzos adyacentes a la
cadera y a la rodilla, se aplican los motores de cadera 7 y los
motores de rodilla 8, respectivamente. Los motores facilitan que
las articulaciones de la cadera y la rodilla puedan pivotar, lo que
da lugar a unos movimientos naturales durante la marcha. También
podrían aplicarse a las articulaciones motores giratorios, como los
que se ilustran en la figura 1b (ii), además de motores lineales o
cualquier otra combinación, según se explicará más adelante con
mayor detalle. Los subsistemas electrónicos que componen la unidad
de control, los sensores, la IHM, la unidad de seguridad y las
unidades de interfaz se incorporan preferentemente a la unidad
electrónica 5, que a su vez se localiza preferentemente en la parte
frontal del cuerpo, por debajo de la zona pectoral. La unidad de
potencia 6 se localiza preferentemente en la zona de la espalda.
Opcionalmente, las unidades electrónicas pueden estar separadas
según cualquier otra combinación y unidas a cualquier otra zona
corporal adecuada, como la pelvis y los laterales de los
muslos.
El sistema de refuerzos podría incluir un
mecanismo que mantuviera la distancia deseada entre las piernas,
evitando así una separación o una unión excesiva de las piernas.
Este mecanismo de espaciado, preferentemente una combinación de
cintas y resortes, puede situarse, arqueado, entre las caras
internas de los muslos, adyacente a la entrepierna. El mecanismo de
espaciado puede ser también una estructura que presione los muslos
desde su cara externa. En este último caso, el mecanismo podría
incluir una especie de anillo ovalado situado en el perímetro
pélvico, con dos cintas de metal semiflexible en los laterales,
presionando los refuerzos de los muslos. El mecanismo de espaciado
de las piernas puede ser activo (es decir, motorizado) o pasivo (por
ejemplo, una cinta de metal flexible). La modalidad pasiva, en la
que el espaciado se fija en un valor medio, es suficiente para
todos los fines de locomoción prácticos, similares a la locomoción
de las personas sin limitaciones de movilidad.
Los refuerzos se equipan con un medio impulsor
que admite un movimiento relativo entre las distintas partes del
sistema de refuerzos. El medio impulsor podría ser algún tipo de
motor, como los motores lineales, los motores de músculo neumático
o los motores giratorios.
A continuación se hará referencia a la figura
2a, en la que se ilustra una vista lateral esquemática de un motor
lineal, de tronco a muslo, correspondiente a una forma de
realización preferente del presente invento. El motor lineal 100 es
adyacente al tronco 102 del usuario. El motor lineal 100 comprende
un estátor 104 conectado al refuerzo en una posición que facilita
que, cuando el usuario lleva el refuerzo, el estátor 104 se
posicione en la zona frontal del abdomen. El forzador 106 (el rotor
del motor) es la pieza móvil del motor que lo acciona en las
direcciones indicadas por las flechas 108 en sentido ascendente o
descendente sobre el estátor 104 y está acoplado mediante algún
sistema de conexión, preferentemente al menos una cinta 110, a una
palanca 112. La cinta 110 es apta para transferir la fuerza del
motor a la palanca. Una parte de la palanca 112 está conectada o
integrada en el refuerzo adyacente al muslo 114 del usuario,
mientras que la otra parte que está conectada a la cinta 110
lateralmente sobresale longitudinalmente hasta el muslo. La parte
que sobresale podría ser esencialmente perpendicular a la parte
adyacente al muslo, pero podría encontrarse también en cualquier
otro ángulo respecto al muslo, como se explicará más adelante.
Cuando el forzador 106 tira de la cinta 110 o la empuja, el muslo
114 podría rotar en la cadera 116, en los sentidos indicados por las
flechas 118. Cuando el forzador 106 se encuentra en posición
ascendente, el muslo 114 avanza hacia el tronco 102, ejecutando el
movimiento de un paso, mientras que si el forzador 106 se encuentra
en una posición descendente, el muslo 114 se endereza respecto al
tronco 102.
A continuación se hará referencia a la figura
2b, en la que se ilustra una vista lateral esquemática de un motor
lineal, de tronco a muslo, correspondiente a otra forma de
realización preferente del presente invento. El motor lineal 150 es
adyacente al lateral del tronco 102. El estátor 152 está conectado
articuladamente al sistema de refuerzos que rodea el tronco 102 (el
sistema de refuerzos no se ilustra en la figura 2b) mediante un
pasador de pivote 154. Esta disposición permite que el motor lineal
150 bascule al ejecutar un paso e incrementa así la eficiencia del
dispositivo. El motor lineal 150 está conectado a una palanca 112
que dispone de una parte situada adyacentemente al muslo y facilita
sus movimientos ascendentes y descendentes, según se ha descrito en
la forma de realización anterior.
A continuación se hará referencia a la figura
3a, en la que se ilustra una vista lateral esquemática de un motor
lineal, de muslo a pierna, correspondiente a una forma de
realización preferente del presente invento. Un concepto similar al
utilizado para el movimiento basculante del muslo respecto al tronco
podría aplicarse al movimiento basculante de una pierna 150
respecto al muslo 152 alrededor de la rodilla 154. El motor lineal
156 está situado de tal modo en el refuerzo que se situará adyacente
al muslo 152. El forzador 158 que se desliza sobre el estátor 160
está unido mediante una cinta 162 a una parte de una palanca 164 que
sobresale lateralmente del eje longitudinal de la pierna 150 o de
la parte del sistema de refuerzos al que se conecta. La otra parte
de la palanca 164 es paralela y adyacente a la pierna 150. Cuando el
forzador 158 se desplaza en sentido ascendente y descendente, según
lo indican las flechas 166, la pierna bascula en las direcciones
indicadas por las flechas 168.
A continuación se hará referencia a la figura
3b, en la que se ilustra una vista lateral esquemática de un motor
de músculo neumático, de muslo a pierna, correspondiente a otra
forma de realización preferente del presente invento. El
estiramiento y la contracción activan un músculo neumático 170 que
está conectado por un extremo a una pieza del refuerzo del muslo
172 y por el otro extremo a una palanca 174 que forma parte del
refuerzo de la pierna. Una parte del refuerzo del muslo 172 está
situado relativamente cerca de la rodilla 154 en la zona de
plegado, y la palanca 174 se encuentra situada en la parte posterior
del pie y podría estar unida a un refuerzo del pie 176. Cuando el
músculo neumático 170 se encuentra totalmente extendido, la pierna
150 se sitúa esencialmente paralela al muslo 152, mientras que si el
músculo neumático 170 se encuentra contraído, se tira de la pierna
150 hacia el muslo 152.
Para efectuar una estimación de la fuerza de
empuje y la energía necesarias para motores lineales como los
ilustrados en las figuras 2a, 2b, 3a y 3b, se construyó un modelo de
motorización humana y de sistema de refuerzos. A continuación se
hará referencia a la figura 4, en la que se ilustra un modelo de
motorización de los refuerzos correspondiente a una forma de
realización preferente del presente invento. En el modelo se
presupone la presencia de dos motores lineales (por extremidad)
unidos a pelvis/abdomen y al muslo y que accionan un movimiento
basculante de la cadera y la rodilla, respectivamente. Según se ha
explicado anteriormente, las palancas constan de dos partes, una de
ellas esencialmente perpendicular al muslo o la pierna, pero que
podría adoptar cualquier otro ángulo en relación con su otra parte,
designándose dicho ángulo como \alpha_{T} o \alpha_{L}, como
se describirá más adelante en el modelo, y estando conectado al
motor mediante una cinta. Las partes perpendiculares designadas
como e_{L} y e_{T} son necesarias para crear el efecto
palanca. Los parámetros que se han tenido en cuenta en el diseño de las partes perpendiculares son los siguientes:
palanca. Los parámetros que se han tenido en cuenta en el diseño de las partes perpendiculares son los siguientes:
\bullet Eficiencia de transmisión de
energía.
\bullet Equilibrio entre fuerza de empuje y
rango de distancia de recorrido del forzador.
Los parámetros de diseño de las partes
perpendiculares son su longitud (e_{L} y e_{T}) y su ángulo de
inclinación respecto al muslo o la pierna (\alpha_{L} y
\alpha_{T}). También se tienen en cuenta los parámetros
siguientes:
m_{T}: masa muscular del muslo - m_{L}: masa
muscular de la pierna - L_{T}: longitud del muslo - L_{L}:
longitud de la pierna - d_{T}: longitud de la biela motriz del
muslo - d_{L}: longitud de la biela motriz de la pierna -
\theta_{T}: ángulo normal entre el muslo y el suelo en el modo
de marcha, o entre la prolongación del torso y el muslo en los
demás modos. - \theta_{L}: ángulo normal entre la pierna y el
suelo en el modo de marcha, o entre la prolongación del torso y la
pierna en los demás modos. Obsérvese que: \theta_{Lmin} \leq
\theta_{L} \leq \theta_{t} - e_{T}: longitud de la
extensión del refuerzo del muslo - e_{L}: longitud de la
extensión del refuerzo de la pierna - \alpha_{T}: ángulo de
inclinación de la extensión del refuerzo del muslo en relación con
el muslo - \alpha_{L}: ángulo de inclinación de la extensión
del refuerzo de la pierna en relación con la pierna - a_{P}:
distancia entre el forzador del muslo y la cadera - a_{T}:
distancia entre el forzador de la pierna y la rodilla - a_{Pmin}:
el valor mínimo de a_{P} - a_{Tmin}: el valor mínimo de a_{T}
- R_{T}: rango (distancia de recorrido) del forzador del muslo -
R_{L}: rango (distancia de recorrido) del forzador de la pierna -
Fmotor_{T}: fuerza de empuje del motor del muslo - motor_{L}:
fuerza de empuje del motor de la pierna.
A continuación se hará referencia a las figuras
5-8 que ilustran las fuerzas de empuje necesarias
para permitir la marcha. Las figuras 5 y 6 corresponden al motor
del muslo, y las figuras 7 y 8 corresponden al motor de la pierna.
Los cálculos se llevaron a cabo utilizando los valores que se
ejemplifican a continuación para los parámetros anteriores:
m_{T} = 8 Kg
m_{L} = 4 Kg
L_{T} = 40 cm
L_{L} = 40 cm
-10º \leq\theta_{T} \leq 60º
-10º \leq \theta_{L} \leq
\theta_{T}
e_{T} = 20 cm
e_{L} = 10 cm
a_{Pmin} = 10 cm
a_{Tmin} = 20 cm
\alpha_{T} = 70º
\alpha_{L} = 110º
En las figuras 5 y 6 se aborda el motor del
muslo. En la figura 5a se ilustra la fuerza máxima necesaria
(F_{motor} en NT) respecto al ángulo del muslo (\theta_{T}).
El valor Fmotor máximo, o par motor máximo, se obtiene
estableciendo \theta_{L} = \theta_{T}. En la figura 5b se
ilustra la distancia entre el forzador y la cadera, a_{p}, o la
distancia de recorrido del forzador, RT, frente al ángulo del muslo
(\theta_{T}). En los gráficos se ilustran varios ángulos de
inclinación (\alpha_{T}) de la parte perpendicular, en relación
con el muslo.
En este ejemplo, la elección de \alphaT entre
40º y 55º da como resultado buenas combinaciones de poca fuerza y
poca distancia de recorrido. La fuerza de empuje necesaria es de
aproximadamente 200 NT y el rango de recorrido del forzador para
-10º \leq \theta_{T} \leq 60º es de unos 16 cm. Pueden
negociarse rangos más pequeños para un empuje más elevado. La
marcha normal no requiere unos ángulos del muslo superiores a 25º, y
en este caso el empuje pico será inferior a 150 NT, mientras que el
rango del forzador será de unos 6 cm (para \alphaT = 55º).
En la figura 6 se ejemplifica la fuerza de
empuje respecto al ángulo, \theta_{L}, para varios ángulos del
muslo, \theta_{T}. El ángulo de la pierna, para cada ángulo del
muslo, oscila entre -20º y \theta_{L} = \theta_{T}
(extremidad extendida), y el ángulo de inclinación de la parte
saliente es \alphaT = 70º.
En las figuras 7 y 8 se aborda el motor de la
pierna. En la figura 7a se ilustra la fuerza necesaria (Fmotor en
NT) respecto al ángulo de la pierna (\theta_{L}) para el ángulo
del muslo \theta_{T} = 25º. En la figura 7b se ilustra la
distancia entre el forzador y la rodilla, aT, respecto al ángulo de
la pierna. Los diagramas ilustran varios ángulos de inclinación
(\alphaT).
Como conclusión, a partir de los datos
ejemplificados en los párrafos anteriores, se puede afirmar que es
suficiente una fuerza de empuje de 40 NT para un rango de recorrido
de 6 cm, en el ejemplo anterior. Unos rangos más cortos requerirán
un mayor empuje. Obsérvese que \alphaL = 110º da como resultado
una buena combinación de poca distancia de recorrido y poca fuerza.
Otros emplazamientos del motor y otras dimensiones de la extensión
darían lugar a distintos valores \alpha óptimos.
En la figura 8 se ejemplifica la fuerza de
empuje respecto al ángulo, \theta_{L}, para varios ángulos del
muslo, \theta_{T}. El ángulo de la pierna, para cada ángulo del
muslo, oscila entre -20º y \theta_{L} = \theta_{T}
(extremidad extendida). La energía necesaria para permitir la marcha
se calcula a modo de ejemplo, y se presentan la energía necesaria
para el sistema de refuerzos motorizado del presente invento y,
consecuentemente, la eficiencia energética y el rango de marcha que
se espera obtener en el ejemplo anterior. La energía deseable
necesaria para alzar la pierna de 0º a \theta_{L} se obtiene
mediante la fórmula:
E_{L} = m_{L}gL_{L} sin^{2} ½
\theta_{L}, en el modelo. Así, por ejemplo, para \theta_{L}
= 30º, la energía necesaria es E_{L} =
1,05^{julios}/_{paso}.
De forma parecida, la energía deseable necesaria
para alzar el muslo de \theta_{\tau} a \theta_{L} se
obtiene mediante la fórmula: E_{T} = (m_{T} +
2m_{L})gL_{T} sin^{2} ½ \theta_{T}, lo que da como
resultado, para \theta_{T} = 30º, E_{T} =
4,20^{julios}/_{paso}. Se partió del supuesto de que un paso
individual se inicia alzando hacia atrás el muslo y la pierna
(\theta_{T} y \theta_{L} son negativos) y prosigue alzando
hacia adelante el muslo y extendiendo o casi extendiendo la pierna
(\theta_{L}\rightarrow\theta_{T}). Además, la energía
cinética no se tiene en cuenta debido a la escasa velocidad.
Designando los ángulos iniciales del muslo y la pierna como
\theta_{T . INIT} y \theta_{L . INIT} respectivamente, la
energía total necesaria para permitir el paso se obtiene con la
fórmula siguiente:
E_{s} =
m_{L}gL_{L}(sin^{2} ½ \theta_{L . INIT} + sin^{2} ½
\theta_{L}) + (m_{T} + 2m_{L})gL_{T}(sin^{2} ½ \theta_{T . INIT}
+ sin^{2} ½
\theta_{T})
En el ejemplo anterior, al sustituir
|\theta_{T . INIT}| = |\theta_{T}| y |\theta_{L
. INIT}| |\theta_{L}| se obtiene E_{s} =
10,5^{julios}/_{paso}. En consecuencia, los parámetros
preferentes necesarios para este ejemplo son los siguientes:
\bullet Velocidad: 1 m/s (3,6 km/h)
\bullet Dimensiones del paso: 40 cm
Con estos requisitos, la energía y el consumo
energético son de 26,2 julios/m (10,5 julios x 2,5 pasos) y de 26,2
W, respectivamente. Así, por ejemplo, una batería de 12 V y 10 Ah
(432 kjulios), para todo el sistema, permitiría un rango de marcha
de 16 km, sin tener en cuenta las eficiencias.
Se utilizaron parámetros de los motores lineales
disponibles para calcular la energía necesaria. Los supuestos fueron
los siguientes:
\bullet Los ángulos del muslo y de la pierna,
\theta_{T} y \theta_{L}, se ciñen, en una forma de caminar
normal, a 630º, y el ángulo medio se establece en 15º.
\bullet A partir del análisis de las figuras
6 y 8, se eligieron fuerzas de empuje de 140 NT para el muslo y de
30 NT para la pierna.
\bullet El impulsor del motor (puente
"H") presenta una eficiencia del 95%.
Partiendo de los supuestos y los ejemplos
anteriores, un motor del muslo requiere unos 75 W, mientras que el
motor de la pierna requiere unos 35 W. Para un paso (0,4 sec), se
obtuvo una necesidad energética de 46^{julios}/_{paso}. Así, la
eficiencia global es del 23%, siendo el rango de la marcha de 3,6 km
(para 12 V y batería de 10 Ah).
El modelo y los cálculos anteriores permiten una
marcha normal. Para permitir la marcha subiendo escaleras y la
transición de la postura sedente a postura de parada, en cuyo caso
la carga puede multiplicarse por cinco, se requieren motores
lineales de mayores dimensiones u otras soluciones prácticas. Una
solución consiste en utilizar un apoyo externo, como un
bipedestador o una barandilla. Otra posible solución sería la de
combinar engranajes con el sistema de motor lineal para obtener un
mayor par motor, a expensas de la velocidad.
A continuación se hará referencia a las figuras
9a, 9b y 9c, en las que se ilustran otras representaciones
esquemáticas de motores lineales correspondientes a otras formas de
realización preferentes del presente invento. En la figura 9a se
ilustra una disposición en doble palanca, mientras que en la figura
9b se muestra una disposición de rueda dentada. La ventaja de estas
formas de realización es que hacen posible introducir un sistema de
engranajes para incrementar la fuerza de empuje. Como ya se ha
explicado, el empuje calculado en el modelo que se ha explicado
anteriormente es suficiente para permitir una marcha normal; sin
embargo, para soportar las transiciones entre la postura sedente a
la postura de parada o para subir escaleras (sin el uso de un
bipedestador) la fuerza debe ser mayor, lo que se consigue
incorporando un engranaje.
La configuración que se muestra en la figura 2b
requiere la presencia de fuerzas asimétricas para los ángulos
positivo y negativo del muslo; véase la figura 5b (la fuerza
necesaria es mayor para los ángulos negativos). En las
configuraciones presentadas en la figura 9 se ajusta la situación y,
como consecuencia, se requiere una menor fuerza de empuje. En la
figura 9(a), el motor lineal 200 está situado preferentemente
en el lateral de un tronco 202, de modo que no interfiera con la
postura sedente. Un forzador 204 del motor lineal 200 se encuentra
unido a una correa 206 que gira en torno a una rueda. Ambos extremos
de la correa 206 están conectados a una palanca 210. La palanca 210
presenta una disposición dual: tiene dos extensiones 212 en ambos
laterales de la palanca 210 que son adyacentes al muslo 214 y
conjuntamente forman una palanca en forma de "T". Cuando el
forzador 204 se desplaza, empuja la correa que, a su vez, empuja o
tira de las extensiones 212, y provoca que el muslo 214 bascule
respecto a la cadera 216.
En la forma de realización ilustrada en la
figura 9b se utiliza una combinación de ruedas dentadas 250 como
engranaje destinado a incrementar el par motor. La correa 206 que
rodea la rueda 208, rodea también la rueda dentada 250 que forma
parte de un refuerzo del muslo (que no se ilustra en esta figura),
por lo que se sitúa en el lateral de la cadera 216.
El sistema motorizado que se ilustra en la
figura 9c describe un motor lineal 220 provisto de un estátor 222
al que se unen un primer forzador 224, que corresponde al forzador
del muslo, y un segundo forzador 226, que corresponde al forzador
de la pierna. Se unen dos ruedas adyacentes de doble corona 228 al
estátor 222 entre ambos forzadores; dichas ruedas no están
correlacionadas. De forma similar a la disposición de rueda dentada
que se ilustra en la figura 9b, el primer forzador 224 se une a una
correa 230 que rodea una de las ruedas de doble corona 228 por un
lado y la rueda dentada 232 por el otro lado. La rueda dentada 232
forma parte del refuerzo del tronco (que no se ilustra en la
figura) y es adyacente a la cadera 216, de modo que el movimiento
del primer forzador 224 provoca el balanceo de la cadera. De forma
contraria, el segundo forzador 226 está unido a una correa 234 que
rodea una de las ruedas de doble corona 228 por un lado y la rueda
dentada 236 por el otro lado. La rueda dentada 236 forma parte del
refuerzo de la pierna (que no se ilustra en la figura) y es
adyacente a la rodilla 238, de modo que el movimiento del segundo
forzador 226 causa el balanceo de la pierna 240 respecto a la
cadera 314. La disposición ilustrada en la figura 9c es preferible,
dado que presenta la ventaja de compactar la motorización, lo que
reduce el posible engorro del sistema de refuerzos.
A continuación se hará referencia a la figura
10, en la que se ilustra una vista lateral esquemática de impulsores
de músculo neumático, de tronco a muslo y de muslo a pierna,
correspondientes a una forma de realización adicional preferente
del presente invento. Los músculos neumáticos proporcionan una
fuerza de tracción mediante contracción. Los músculos neumáticos
son un tipo conocido de impulsores que actúan de forma parecida a
los músculos biológicos; se trata de un dispositivo neumático
(tubo) que se contrae al ensancharse cuando se le bombea aire. Se
conecta al sistema de refuerzos (que no se ilustra en la figura 10)
un sistema de brazo de palanca provisto de una primera parte 300
adyacente a un tronco 302, una segunda parte 304 adyacente a un
muslo 306 y una tercera parte 308 adyacente a una pierna 310. En
las uniones entre las tres partes del sistema de brazo de palanca,
se proporcionan extensiones desde ambos lados del sistema de brazo
de palanca; las primeras extensiones 312 se conectan a una segunda
parte 304, que es adyacente a la cadera 314, y las segundas
extensiones 316 se extienden desde la tercera parte 308, en el
punto de unión de la rodilla 318. Dos músculos neumáticos 320
paralelos, cada músculo neumático equilibrado por un músculo
antagonista, de forma parecida a lo que ocurre en el cuerpo humano,
se conectan a un extremo de la palanca 300 y al otro extremo en una
de las extensiones 312. De forma parecida, los dos músculos
neumáticos 322 se conectan entre la palanca 304 y las extensiones
316.
Otra solución para incrementar el par motor
sería la de utilizar motores giratorios con engranajes. A
continuación se hará referencia a la figura 11, en la que se
ilustran vistas laterales esquemáticas de dos configuraciones
opcionales de un motor giratorio de tronco a muslo correspondiente a
otra forma de realización preferente del presente invento. Los
motores giratorios aportan las ventajas siguientes: a. constituyen
una manera sencilla de combinar engranajes en motores giratorios;
b. la posibilidad de elección entre los productos que se ofrecen es
muy amplia. En la configuración (a), el motor giratorio 350 es un
motor para motorización de la cadera, aunque también podrían
introducirse motores parecidos en la articulación de la rodilla. En
caso de motorización de la rodilla, el motor puede colocarse detrás
de las rodillas o en los laterales. Los motores giratorios 350 se
colocan en la parte frontal de las caderas 352 o en los laterales,
de modo que no dificulten la postura sedente. El motor giratorio
350 está equipado con una rueda 354 y una rueda dentada 356 que se
hacen girar mediante una correa móvil 358. La rueda dentada 356
está unida preferentemente al refuerzo pélvico (los refuerzos no se
ilustran en la figura 11). La rueda dentada 356 interacciona con
otra rueda dentada 360 que está unida preferentemente al refuerzo
del muslo, para ofrecer varias posibilidades de engranaje. En la
configuración (b) que se ilustra en la figura 11, ambas ruedas
dentadas son concéntricas. La ventaja de la configuración que se
ilustra en la figura 11b es que resulta sumamente compacta.
A continuación se hará referencia a la figura
11c, en la que se ilustra una vista lateral esquemática de un motor
giratorio, de tronco a muslo, correspondiente a una forma de
realización adicional preferente del presente invento. El motor
giratorio 400 está situado en ambos laterales de la articulación, de
modo que provoca escasas molestias para los movimientos de marcha o
para sentarse. Cabe destacar que el motor podría situarse en
cualquier otra articulación, la de la cadera o la rodilla. El motor
giratorio 400 consta de dos anillos, un anillo externo 402 y un
anillo interno 404. El anillo interno 404 actúa como estátor,
mientras que el anillo externo 402 es el rotor que gira en torno a
un pivote 406. El refuerzo pélvico 408 está anclado en el anillo
interno 404 de modo que, al estabilizarse el movimiento relativo
entre los anillos, se obtiene un movimiento relativo del muslo 412
en la cadera 414. La ventaja del motor giratorio 400 es la comodidad
de su configuración, obtenida gracias a su forma de disco, plana y
compacta, sin armazón.
Volviendo de nuevo a la figura 1, la unidad de
sensores 20 controla los parámetros del sistema de refuerzos 10 y
transfiere la información a la unidad de control 12 mediante las
interfaces de respuesta 22. La unidad de sensores podría
suministrar la información siguiente:
\bullet Ángulos de la cadera y la
rodilla.
\bullet Varias aceleraciones de las zonas
corporales.
\bullet Ángulo de inclinación del torso y
velocidad angular.
\vskip1.000000\baselineskip
Así como las señales de alerta siguientes:
\bullet Estado de la batería.
\bullet Corriente de los motores (protección
contra sobrecargas).
\bullet Temperaturas de los componentes
(motores, circuitos de alimentación, etc.), protección contra
sobrecalentamiento.
Las señales de datos pueden proporcionar otras
alertas.
Los ángulos de articulación de la cadera y la
rodilla podrían medirse preferentemente con un goniómetro. Los
goniómetros son conocidos en la técnica y consisten esencialmente en
potenciómetros que pueden colocarse en las juntas y generan cierto
voltaje proporcionalmente al ángulo de la junta. En Finley, F.R., y
Kapovich, P.V., "Electrogoniometric Analysis of Normal and
Pathological Gaits", Res. Quart. 35, 379-384
(1964) se revela un goniómetro que podría incorporarse al
dispositivo de locomoción de la marcha del presente invento.
Las aceleraciones de las distintas zonas
corporales podrían medirse preferentemente con un acelerómetro. Los
acelerómetros son bien conocidos en la técnica y el principio de su
funcionamiento se revela, por ejemplo, en Morris, J.R.W.,
"Accelerometery -A technique for the Measurements of Human Body
Movements", J. Biomech. 6, 729-736 (1973). El
dispositivo consiste básicamente en un puente con masa, en el que
los movimientos de la masa provocan la desviación del
equilibrio.
El ángulo de inclinación del torso y sus valores
derivados (velocidad angular y aceleración) se obtienen
preferentemente mediante sensores de inclinación. Pueden
encontrarse sensores de inclinación fabricados, por ejemplo, por
E.G. Crossbow Technology, Inc. Los sensores de inclinación pueden
situarse en el torso. Las señales recibidas de los sensores de
inclinación podrían utilizarse para iniciar un paso, ya que la
inclinación de la parte superior del cuerpo se interpreta como una
caída, la cual deberá evitarse dando el consiguiente paso. Cabe
destacar que la actividad del dispositivo de locomoción de la marcha
se inicia mediante inclinaciones deliberadas del cuerpo; de esta
forma, el usuario discapacitado participa plenamente en el inicio de
la marcha y en su avance, pasando a formar parte integrante del
proceso de toma de decisiones.
Como se ha mencionado anteriormente, la unidad
de control 12 supervisa el movimiento del sistema de refuerzos 10 y
se comunica con la unidad de sensores 20, directamente o a través de
interfaces. El controlador facilita los modos de funcionamiento
siguientes:
1. Postura de parada.
2. Marcha y transición de postura de parada a
marcha.
3. Transiciones entre postura yacente y
sedente.
4. Ascensión (por ejemplo, subir escaleras).
5. Descenso (por ejemplo, bajar escaleras).
6. Entrenamientos.
7. Pruebas.
8. Aprendizaje/adaptación.
La unidad de control 12 genera señales para los
impulsores de potencia 18 que motorizan el sistema de refuerzos 10,
y reciben respuestas de la unidad de sensores 20. La respuesta de
los sensores es necesaria para efectuar un algoritmo de bucle
cerrado de los modos 1 a 6, como se explicará a continuación. En el
modo de caminador, el dispositivo de locomoción de la marcha se
encuentra en su capacidad de entrenamiento activo/pasivo (por
ejemplo, pedaleo). El modo de prueba recurre a la unidad de
seguridad 24 para asegurar el funcionamiento adecuado; la unidad de
control 12 activa las señales de prueba y supervisa las señales de
respuesta resultantes.
En el modo de aprendizaje/adaptación, el
algoritmo se adapta al usuario; por ejemplo, el sistema
"aprende", preferentemente aplicando un algoritmo de red
neuronal, y adquiere los distintos parámetros necesarios para los
modos de funcionamiento.
La unidad de control 12 está equipada con un
procesador 14 que utiliza algoritmos de control de bucle cerrado,
junto con la implicación por parte del usuario. Los algoritmos de
bucle cerrado y el usuario interaccionan para establecer un tipo de
marcha, una transición u otro modo de funcionamiento. El usuario
participa principalmente en la elección del modo de funcionamiento,
1-8, y para llevar a cabo los movimientos
voluntarios de la parte superior del cuerpo.
A continuación se hará referencia a la figura
12, en la que se ilustra un esquema de control en tiempo real
correspondiente a una forma de realización preferente del presente
invento. La selección de los modos de funcionamiento 500
mencionados anteriormente se efectúa mediante órdenes de modo de
funcionamiento 502. Las órdenes de modo de funcionamiento 502
especifican un conjunto de patrones 504 que comprenden bloques de
tiempo (índice) y patrones dependientes del modo {\Theta =
\Theta(n,P)}, donde "n" es el índice temporal y
"P" es el parámetro modal. Cada patrón específico o función de
tiempo representa un determinado modo o situación en los
dispositivos de locomoción de la marcha del presente invento. El
conjunto de patrones 504 proporciona la dependencia funcional
necesaria de los ángulos que deben controlarse
\Theta=^(\theta_{RT}, \theta_{LT}, \theta_{RL},
\theta_{LL}), en el índice temporal, a saber, \Theta_{p} =
\Theta_{p}(n). La escala temporal se determina mediante
programación lógica 506 en un proceso de adaptación en tiempo real
que se ve influido principalmente por el ángulo de inclinación del
torso y sus valores derivados, velocidad angular y aceleración. La
programación lógica 506 acepta señales de error 508: E_{1} =
\Theta_{p} - \Theta y E_{2} = \Theta_{d} -
\Theta_{f} y envía una orden motora 510. Para minimizar la
magnitud de los errores, existen varios algoritmos y métodos
diferentes, incluyendo la lógica difusa.
Para comprender mejor el funcionamiento de la
unidad de control, se comentará a continuación la iniciación de la
marcha, a modo de ejemplo. Partiendo del supuesto de un modo de
postura de parada, en el que \Theta_{f} = (\theta_{tilt},
\theta^{&}_{tilt}, \theta^{&}_{tilt})
\approx
(0,0,0), es decir, que el vector de inclinación es cero en el sentido de la lógica difusa, y también \Theta \approx (0,0,0,0). El usuario elige un modo de marcha utilizando la orden del modo de funcionamiento 502, y se carga el patrón adecuado \Theta_{p}(n) del conjunto de patrones 504 en la programación lógica 506. A continuación, el usuario inclina la parte superior de su cuerpo hacia adelante, más allá de cierto ángulo umbral, y los errores E_{1} y E_{2} 508 alcanzan valores de gran magnitud (el vector de inclinación deseado es \Thetad \approx (0,0,0)). El proceso consistente en minimizar la magnitud de los errores se traduce en la formación de un paso adelante que evita la caída. El paso sólo está parcialmente definido por el vector \Theta_{p}, y la programación lógica 506 utiliza el ángulo de inclinación y sus valores derivados (a través de E_{2}) para generar los parámetros siguientes:
(0,0,0), es decir, que el vector de inclinación es cero en el sentido de la lógica difusa, y también \Theta \approx (0,0,0,0). El usuario elige un modo de marcha utilizando la orden del modo de funcionamiento 502, y se carga el patrón adecuado \Theta_{p}(n) del conjunto de patrones 504 en la programación lógica 506. A continuación, el usuario inclina la parte superior de su cuerpo hacia adelante, más allá de cierto ángulo umbral, y los errores E_{1} y E_{2} 508 alcanzan valores de gran magnitud (el vector de inclinación deseado es \Thetad \approx (0,0,0)). El proceso consistente en minimizar la magnitud de los errores se traduce en la formación de un paso adelante que evita la caída. El paso sólo está parcialmente definido por el vector \Theta_{p}, y la programación lógica 506 utiliza el ángulo de inclinación y sus valores derivados (a través de E_{2}) para generar los parámetros siguientes:
\bullet Límites o magnitudes de los ángulos
de la cadera y la rodilla, \Theta_{max}=^(\theta_{RT},
\theta_{LT}, \theta_{RL},
\theta_{LL})_{max}.
\bullet Velocidad del proceso o escala
temporal (frecuencia de muestreo 1/T).
Un paso se forma cuando al paso inicial le sigue
un balanceo periódico del torso, entre la postura erguida y la
postura inclinada. El período de tiempo de la oscilación del torso
controla la velocidad de la marcha. En la tabla que se muestra más
adelante se ejemplifica un patrón de marcha,
\Theta_{p}(n), de una sola extremidad. La marcha se
divide en seis fases que también se ilustran en la figura 20.
A continuación se hará referencia a la figura
20, en la que se ilustran las fases del patrón de marcha de una
sola extremidad, correspondiente a una forma de realización
preferente del presente invento. El patrón de marcha se demuestra
mediante una tabla cíclica (n=1 corresponde a n=420: la extremidad
está extendida y perpendicular al suelo). Alternativamente, puede
generarse un patrón utilizando funciones como las siguientes:
8(n) = \theta_{0} + K(n)\delta\theta,
donde K depende de la fase (y de la respuesta) y \delta\theta
es el incremento del ángulo. El segundo método podría requerir menos
memoria.
El patrón de marcha de las dos extremidades es
esencialmente idéntico, desviándose cíclicamente uno de los patrones
respecto al otro.
Volviendo ahora a la figura 12, el sistema se
controla mientras se proporcionan señales de respuesta 514.
Como se ha indicado en el ejemplo anterior, las
órdenes de movimiento emitidas por la unidad de control 12 se
sincronizan con los movimientos corporales voluntarios del usuario.
Los movimientos corporales voluntarios se dividen esencialmente en
tres categorías:
1. Inclinación de la parte superior del
cuerpo.
2. "Lanzamiento" del cuerpo o aplicación de
un par de torsión angular súbito.
3. Uso de apoyos externos, como bipedestadores y
barandillas.
Dado que la acción de caminar puede visualizarse
como una serie de caídas evitadas, la inclinación de la parte
superior del cuerpo detectada por la unidad de sensores 20 puede ser
interpretada por la unidad de control 12 como una caída. Como
consecuencia de una inclinación de la parte superior del cuerpo, la
unidad de control 12 inicia un paso mediante los impulsores de
potencia 18. De esta forma, la inclinación de la parte superior del
cuerpo se incorpora al algoritmo de la marcha.
A continuación se hará referencia a la figura
13, en la que se ilustra un algoritmo de modo de marcha
correspondiente a una forma de realización preferente del presente
invento. Como se ha mencionado anteriormente, el modo de marcha se
inicia desde los parámetros 550 de postura de parada. El usuario
inclina la parte superior del cuerpo mediante un movimiento
corporal voluntario 552. El algoritmo calcula los parámetros de paso
554 utilizando el ángulo de inclinación y sus valores derivados, y
controla la magnitud del paso (mediante las magnitudes de los
ángulos de la cadera y la rodilla), así como la velocidad,
utilizando un patrón del conjunto de patrones que se muestra en la
figura 12. Los movimientos de las extremidades 556 se llevan a cabo
utilizando los motores, para poder ejecutar un paso. El giro
durante la marcha se consigue mediante el movimiento corporal del
usuario, en este caso "lanzando" la parte superior del cuerpo,
que aplica un par de torsión angular súbito a la pierna en la que
está apoyado el peso del cuerpo. En una orden de giro 558, la pierna
del usuario sirve como eje para el giro. Después de completar un
paso con una extremidad, la otra extremidad sigue un procedimiento
parecido, según lo esperado 560.
A continuación se hará referencia a la figura
14, en la que se ilustra un procedimiento de transición de postura
yacente a postura sedente correspondiente a una forma de realización
preferente del presente invento. El control de los motores se lleva
a cabo de forma parcialmente manual, por parte del usuario o del
asistente del usuario. El grado de apoyo externo 600 depende del
nivel de discapacidad del usuario. El usuario se pone el dispositivo
de locomoción de la marcha del presente invento, preferentemente
debajo de la ropa, con las extremidades extendidas, y podría
bloquearlo mediante los motores, en una posición yacente 602. El
usuario activa los motores de la cadera hasta alcanzar la posición
sedente 604; es preferible que los motores se detengan
automáticamente. Las rodillas siguen bloqueadas. El usuario activa
los motores de las piernas para colocar las piernas sobre el suelo.
Para tal fin, el usuario se sitúa al borde de la cama 606. Para
mantener la estabilidad en cualquiera de las etapas, el usuario se
apoya con la mano o, de no ser posible, con el apoyo externo 600. En
la posición final al borde de la cama, las piernas alcanzan 0º
(piernas paralelas al torso). En la postura de parada 608, las
extremidades deben estar extendidas (\theta_{T}:
90º\rightarrow0º, \theta_{L}: 0º\rightarrow0º), lo que
significa que los motores de la pierna deben girar las
articulaciones de la rodilla (hasta 90º) para mantener la igualdad
\theta_{L}=0º. Se accionan dos pares de motores alternativamente
(caderas-rodillas-caderas...,
etc.), aplicando pequeños incrementos para mantener la estabilidad
en la postura de parada 608.
El control automático de la transición de
postura sedente a parada, es decir, la activación simultánea de
todos los motores por parte del controlador, puede implicar los
parámetros preadquiridos. Estos parámetros (a saber, el ángulo de
inclinación como una función de los ángulos de la cadera y la
rodilla durante la transición) se miden y se almacenan durante la
fase de aprendizaje del sistema (modo aprendizaje/adaptación): el
sistema del motor responsable de las transiciones debería situarse
en su engranaje inferior, y el cambio de engranaje podría efectuarse
manualmente.
Como se ha mencionado, la tarea principal en el
modo de postura de parada es mantener la estabilidad. En este modo
de postura de parada se utilizan los mecanismos de control
siguientes: movimientos de la parte superior del cuerpo; pequeños
pasos rápidos hacia adelante y hacia atrás; y apoyo externo, por
ejemplo un bipedestador. En cuanto a los movimientos de la parte
superior del cuerpo, la estabilidad se mantiene de forma similar a
lo que hacen las personas sin discapacidad. Sin embargo, dado que
esto podría no ser suficiente, el controlador activa
automáticamente un segundo mecanismo, basándose en la respuesta
(ángulo de inclinación, velocidad y aceleración angulares) enviada
por la unidad de sensores. El algoritmo para el segundo mecanismo es
parecido al inicio de la marcha que se ha comentado anteriormente.
El uso del bipedestador depende de la gravedad de la
discapacidad.
En este caso, se sugieren dos medios de
estabilización adicionales:
1. Rodillas dobladas: durante la marcha, y
especialmente en la postura de parada, una ligera flexión de las
rodillas (rodillas desbloqueadas: \theta_{L} < \thetaT)
mejorará la estabilidad, como ocurre en realidad en las personas
sin discapacidad. En este caso, no se requiere ningún esfuerzo
adicional por parte del usuario.
2. Palos laterales: es posible incrementar
considerablemente la estabilidad, en especial la estabilidad
lateral, colocando unas muletillas en los laterales del cuerpo.
A continuación se hará referencia a la figura
15, en la que se ilustra una vista lateral esquemática de unos
palos laterales unidos al sistema de refuerzos correspondiente a una
forma de realización preferente del presente invento. El sistema de
refuerzos 700 que comprende un refuerzo del torso 702, un refuerzo
de la pelvis 704, dos refuerzos de los muslos 706 y dos refuerzos
de las espinillas 708 se equipa con palos laterales telescópicos
plegables 710 que actúan en cierta forma a modo de plomadas o
muletillas, para evitar un plegado lateral o posterior excesivo
(que se indica mediante las flechas 714), ofreciendo un apoyo
directo para los refuerzos de la parte superior del cuerpo. Cada
uno de los palos laterales 710 podría estar equipado preferentemente
con un mango 712 y sujeto al sistema de refuerzos 700 mediante una
junta esférica 716. Los palos laterales también podrían estar
conectados al controlador y estar motorizados.
Opcionalmente, podría incorporarse un
dispositivo estabilizador adicional al sistema de refuerzos, los
zapatos estabilizadores descritos en Collins, Wisse y Ruina, "A
3-D Passive-Dynamic Walking Robot
with Two Legs and Knees", presentada para su publicación en el
International Journal of Robotics Research, de febrero de
2001; robot bípedo, dinámico y pasivo tridimensional. Los zapatos
estabilizadores mejoran la estabilidad lateral y causan un balanceo
de apoyo lateral. La marcha normal conlleva un balanceo lateral del
cuerpo que requiere el mantenimiento de un centro de presión en la
zona de los pies; de esta forma se mantiene una estabilidad de apoyo
casi estático.
A continuación se hará referencia a las figuras
16a y 16b, en las que se ilustran vistas esquemáticas posteriores y
frontales, respectivamente, de un zapato izquierdo correspondiente a
una forma de realización preferente del presente invento. El zapato
izquierdo 800 se ha modelado de tal forma que fomente un apoyo
lateral. Dado que el zapato es más ancho, la estabilidad lateral es
mejor. En la vista lateral, se muestra la forma redondeada del
zapato 800. La forma redondeada se adapta para facilitar la suavidad
y la facilidad de los pasos. La parte inferior del soporte de la
pierna está unida al zapato 800 y se aporta una conexión 804 para
que el usuario pueda insertar en ella su pie.
En forma de algoritmo, el método para subir
escaleras se ilustra como una variante del modo de marcha. En este
modo, el mecanismo impulsor se cambia a un engranaje inferior, ya
sea automática o manualmente, y se utiliza el patrón pertinente. Al
igual que en el modo de marcha, el usuario indica los parámetros
exactos del patrón, como la altura y la profundidad del paso,
mediante el grado de inclinación del cuerpo y a través de la IHM.
Al igual que en el modo de marcha, el paso de avance se forma
inclinando la parte superior del cuerpo.
El movimiento de descenso puede llevarse a cabo
mediante otro algoritmo. A continuación se hará referencia a la
figura 17, en la que se ilustra un algoritmo de modo de descenso
correspondiente a una forma de realización preferente del presente
invento. De nuevo la posición inicial es una postura de parada 650.
El usuario que desea descender escaleras, por ejemplo, inclina la
parte superior del cuerpo 652 y, de forma parecida al algoritmo del
modo de marcha, el dispositivo calcula los parámetros del paso 654.
El dispositivo pone en marcha los motores para ejecutar una ligera
inclinación hacia adelante 656 que provoca un pequeño paso hacia
adelante, con una rodilla bloqueada (por ejemplo la derecha,
\theta_{RL} = \theta_{RT} \rightarrow \approx10º), y
plegando la otra pierna 658 (\theta_{LT} \rightarrow
\approx-5º, \theta_{LL} \rightarrow
\approx-50º). En cuanto se estabiliza la
extremidad derecha sobre la superficie inferior 660, la extremidad
izquierda prosigue con el patrón hasta una postura de parada u otra
de descenso 662. Al igual que en el modo de marcha, los motores de
la cadera y la rodilla obedecen a unos patrones predefinidos
suministrados por el conjunto de patrones y ajustados a los
movimientos del usuario.
Otros modos que se han comentado anteriormente
son el modo de entrenamiento, el modo de prueba y el modo de
aprendizaje/adaptación. En el modo de entrenamiento, el dispositivo
de locomoción de la marcha del presente invento puede utilizarse
para un movimiento activo/pasivo de pedaleo. El usuario podría
combinar su propia fuerza muscular con la fuerza de impulso,
estableciendo el propio usuario la proporción entre ambas según el
nivel de su discapacidad. En el modo de prueba, el controlador
inicia un algoritmo de autoevaluación. Durante este modo, no es
necesario que el usuario lleve el dispositivo. La autoevaluación
podría incluir los pasos siguientes:
\bullet Comprobación de la batería (por
ejemplo, curva de recuperación a corto plazo, además de medición del
voltaje conectado).
\bullet Examen de las conexiones,
transmitiendo y recibiendo para ello señales de reconocimiento.
\bullet Examen de los sensores, activando los
motores y controlando las respuestas.
\bullet Autoevaluación del controlador.
En el modo de aprendizaje/adaptación, el
controlador adquiere distintos parámetros de marcha. Este modo se
utiliza principalmente durante el período de aprendizaje del
usuario. Los distintos patrones, {\Theta_{p}(n)},
incluidos en el conjunto de patrones (patrón de marcha, patrón de
descenso, etc.) se están adaptando a los parámetros particulares
del usuario.
En todos los patrones mencionados, se utilizaron
inclinaciones de la parte superior del cuerpo para iniciar la
reacción del dispositivo. El movimiento de inclinación puede ser más
complejo e incluir inclinaciones laterales. El vector de
inclinación exacto puede ser detectado por los sensores de
inclinación, según se ha explicado anteriormente; por ejemplo, un
sensor para las inclinaciones adelante/atrás y otro para las
inclinaciones laterales. El vector de inclinación debería superar
cierto umbral para que se iniciara un paso. Los parámetros de este
vector de umbral (ángulos hacia adelante, hacia los laterales, y sus
valores temporales derivados) se ajustan para que se adapten a las
necesidades particulares del usuario.
El dispositivo de locomoción de la marcha del
presente invento puede combinarse con un sistema de estimulación
eléctrica funcional (EEF). La combinación de ambas funciones
incorpora las ventajas del sistema de EEF a las ventajas del
dispositivo de locomoción de la marcha, lo que contribuye a una
auténtica marcha de base muscular. La incorporación de EEF al
dispositivo de locomoción de la marcha mejora las capacidades
muscular, de entrenamiento de la marcha y fisioterapéutica del
dispositivo; el usuario puede combinar así su propia fuerza muscular
con el apoyo motorizado del dispositivo de locomoción de la
marcha.
A continuación se hará referencia a la figura
18, en la que se ilustra un diagrama de bloques de un dispositivo
de locomoción de la marcha correspondiente a otra forma de
realización preferente del presente invento, que incorpora un
sistema de EEF. El dispositivo de locomoción de la marcha del
presente invento comprende unas funciones parecidas a las del
dispositivo de locomoción de la marcha comentado anteriormente.
Consta de un sistema de refuerzos 11 en el que se apoyan partes del
cuerpo, y de electrodos 13 que transmiten señales eléctricas. El
sistema de refuerzos 11 incluye medios impulsores como los
ilustrados anteriormente en las figuras 2a, 2b y 3.
Una unidad de control relativamente pequeña 12
supervisa el movimiento del sistema de refuerzos 11 y las señales
eléctricas que envían los electrodos 13. La unidad de control 12
envía una orden a los impulsores de señales de estimulación 30 que
generan la señal de estimulación que se envía al cuerpo a través de
los electrodos 13. Una unidad de sensores 20 que contiene varios
sensores controla los parámetros de referencia y transmite la
información a la unidad de control 12 a través de las interfaces de
respuesta 22. El dispositivo de locomoción de la marcha comprende
también una interfaz hombre-máquina, IHM 16, a
través de la cual la persona controla los modos de funcionamiento y
los parámetros del dispositivo. El dispositivo de locomoción de la
marcha comprende también una unidad de potencia 28 que incorpora
una fuente de alimentación portátil y sus circuitos
relacionados.
Los modos en los que podría configurarse el
dispositivo de locomoción de la marcha que incorpora EEF son los
siguientes:
\bullet Modo EEF: el dispositivo de
locomoción de la marcha actúa como un sistema de freno de apoyo.
\bullet Modo de marcha con EEF: el sistema de
motores funciona paralelamente al sistema de EEF.
Durante el modo EEF, el dispositivo de
locomoción de la marcha actúa como una ortesis de freno controlado
(parecida a las reveladas en la patente
US-5.476.441), en la que los motores se utilizan
como sistema de frenado, mientras que el sistema de refuerzos
sostiene el cuerpo, lo que reduce la fatiga muscular. Se aplica una
secuencia de señales de estimulación a las extremidades inferiores
del cuerpo, alternativamente, respondiendo a la inclinación de la
parte superior del cuerpo; se crea un movimiento de marcha mediante
la oscilación periódica del torso entre las posiciones erguida e
inclinada. Al igual que en el modo de marcha normal de la forma de
realización anterior, los sensores de la inclinación situados en el
torso perciben los movimientos de inclinación periódica y
sincronizan el intercambio entre las extremidades inferiores. En
consecuencia, las órdenes externas para cada paso resultan ahora
redundantes. Si se detecta fatiga muscular mediante una reducción de
la velocidad de la marcha, por ejemplo, el sistema combinado puede
cambiar automáticamente al modo de marcha normal.
En el modo del dispositivo de locomoción de la
marcha con EEF, el sistema de refuerzos motorizado asume una parte
de la carga de la marcha; la fuerza muscular se combina con la
fuerza del motor. A continuación se hará referencia a la figura 19,
en la que se ilustra un algoritmo de modo de marcha correspondiente
a una forma de realización preferente del presente invento. De
nuevo, se inicia desde la postura de parada 750, y la inclinación
de la parte superior del cuerpo 752 indica la voluntad de empezar a
andar. Al seleccionar el modo 754 del dispositivo de locomoción de
la marcha con EEF, se calculan ambos métodos de
marcha-recuperación; la lógica de ecualización 760
presume, por ejemplo, que EEF es prioritaria para accionar la marcha
756. La imposibilidad de ejecutar el patrón de marcha, que podría
ser detectada por la lógica de ecualización a partir de las señales
de respuesta 762, provocará el accionamiento del modo de dispositivo
de locomoción de la marcha 758, y el grado de apoyo del dispositivo
dependerá del rendimiento de la EEF. De esta forma, en la lógica de
ecualización 760 reside el algoritmo que determina el grado de
participación en el proceso de marcha de cada método que satisface
los ángulos objetivos, así como la elección del usuario (a través de
la IHM).
Si bien se han descrito varios métodos para
accionar las articulaciones, resultará evidente para los expertos
en la técnica que el método analizado en este documento se ofrece
como mero ejemplo de las formas de realización preferentes.
Claims (61)
1. Un dispositivo de locomoción de la marcha
apto para que lo lleve un usuario con discapacidad, comprendiendo
dicho dispositivo: un sistema de refuerzos (10) que comprende una
variedad de segmentos unidos (2, 3, 4), siendo apto dicho sistema
de refuerzos para adaptarse a la parte inferior del usuario con
discapacidad, y comprendiendo un medio impulsor (18) apto para
proporcionar un movimiento relativo entre dicha pluralidad de
segmentos unidos; una unidad de sensores (20) que consta de varios
sensores para monitorizar parámetros del sistema de refuerzos (10),
comprendiendo dichos parámetros un ángulo de inclinación del torso y
posiciones angulares de dicha pluralidad de segmentos articulados;
una unidad de control (12) que comunica con la unidad de sensores
(20) para recibir información de respuesta de dichos sensores, y con
una interfaz hombre-máquina de dichos sensores,
apta para recibir órdenes del usuario, siendo apta también la unidad
de control (12) para supervisar los medios impulsores (18) y
facilitar que dicho sistema de refuerzos (10) pueda ejecutar
patrones de marcha y permitir que el usuario se sostenga con
seguridad en una postura de parada gracias al apoyo de dichos
refuerzos, utilizando un algoritmo de control de bucle cerrado y
empleando dicho sistema de refuerzos ciertos parámetros,
conjuntamente con las órdenes del usuario recibidas a través de
dicha interfaz hombre-máquina, para seleccionar un
modo de funcionamiento de entre los que componen un grupo
consistente en modo de pie, modo de marcha, modo de ascenso, modo
de descenso, modo de transición de yacente a sedente, modo de
transición de sedente a postura de parada, modo de transición de
postura de parada a marcha, modo de entrenamiento, modo de
aprendizaje o una combinación de todos ellos.
2. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 1, en el que el sistema de
refuerzos comprende un refuerzo del torso (701) y un refuerzo de la
pelvis (1) aptos para adaptarse al tronco del usuario, dos
refuerzos de los muslos (2) aptos para adaptarse a los muslos del
usuario, y dos refuerzos de las piernas (3) aptos para adaptarse a
las piernas y los pies del usuario.
3. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 1, en el que se proporcionan unos
zapatos estabilizadores (4) unidos al sistema de refuerzos, siendo
aptos dichos zapatos estabilizadores para mejorar la estabilidad
lateral.
4. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 3, en el que dichos zapatos
estabilizadores se proporcionan con un apoyo lateral (800).
5. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 3, en el que dichos zapatos
estabilizadores se proporcionan con una base redondeada (800).
6. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 1, en el que dicho sistema de
refuerzos se proporciona con dos muletillas laterales(708)
aptas para proporcionar un apoyo directo al usuario.
7. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 6, en el que dichas muletillas
laterales (708) son de tipo plegable, para facilitar que pueda
ajustarse su altura.
8. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 7, en el que al menos una de
estas dos muletillas laterales (708) comprende al menos dos
elementos (710) unidos de forma telescópica para ajustar la
longitud de dichas muletillas.
9. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 6, en el que cada una de estas
dos muletillas (708) dispone de un mango (712) que facilita el
agarre de las muletillas.
10. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 6, en el que las dos muletillas
laterales (708) están motorizadas.
11. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 1, en el que dicho medio impulsor
está acoplado a las articulaciones entre los segmentos unidos (2, 3,
4) de dicho sistema de refuerzos.
12. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 1, en el que dichos medios
impulsores comprenden motores lineales (100).
13. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 12, en el que dos de estos
motores son aptos para colocarse adyacentes a las caderas del
usuario.
14. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 12, en el que dos de estos
motores son adyacentes a las rodillas del usuario.
15. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 12, en el que al menos uno de los
motores lineales se equipa con un estátor (104) que dispone de un
forzador (106), estando conectado dicho estátor a uno de los
segmentos unidos, y en el que dicho forzador se acopla a una palanca
(112) que está unida a un brazo de apoyo adyacente.
16. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 15, en el que dicha palanca
presenta una parte saliente lateralmente, y en el que dicho forzador
está acoplado a dicha parte.
17. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 15, en el que dicho estátor está
conectado de forma basculante a los segmentos unidos.
18. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 1, en el que dichos medios
impulsores comprenden un motor de fuerza de empuje que consta de un
motor lineal (350) equipado con engranajes (360), estando conectado
dicho motor lineal a uno de los segmentos unidos, y en el que el
forzador (106, 158) de dicho motor lineal está conectado a una
correa (206) que presenta dos extremos, situándose dicha correa
alrededor de una rueda (208) y acoplada también a una palanca (210)
conectada a un segmento unido articulado adyacente.
19. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 18, en el que dicha palanca está
dotada de dos elementos salientes (212), y en el que cada uno de los
dos extremos de dicha correa está conectado a uno de los elementos
salientes laterales de dicha palanca.
20. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 18, en el que dicha palanca es
una rueda dentada (250) conectada a una articulación entre segmentos
unidos.
21. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 1, en el que dichos medios
impulsores comprenden un motor de fuerza de empuje en el que un
motor lineal (350) equipado con engranajes (360) está conectado a
un segmento unido entre dos articulaciones, y en el que un estátor
de dicho motor lineal se equipa con dos ruedas adyacentes, estando
equipado dicho estátor con un primer forzador (106, 158) acoplado a
una correa, girando dicha correa alrededor de una de las ruedas y
haciendo rodar una rueda dentada que está unida adyacente a una de
las articulaciones, y en el que dicho estátor está equipado con un
segundo forzador acoplado a otra correa que gira en torno a otra
rueda y hace girar otra rueda dentada que está unida adyacente a la
otra articulación.
22. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 1, en el que dichos medios
impulsores comprenden un impulsor de músculo neumático.
23. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 1, en el que dichos medios
impulsores comprenden un motor giratorio.
24. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 23, en el que dicho motor
giratorio está situado en una articulación entre segmentos unidos de
dicho sistema de refuerzos.
25. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 24, que comprende además una
pluralidad de ruedas dentadas (250) que interaccionan, estando
conectada al menos una de dichas ruedas dentadas, mediante una
correa móvil (206), a otra rueda para posibilitar un movimiento
relativo entre los segmentos unidos.
26. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 25, en el que las dos ruedas
dentadas que interaccionan son concéntricas.
27. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 1, en el que al menos uno de los
sensores es un sensor de inclinación.
28. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 27, en el que se conecta un
goniómetro a las articulaciones entre los segmentos unidos de dicho
sistema de refuerzos, para medir el ángulo de la articulación.
29. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 1, en el que al menos uno de los
sensores es un sensor de aceleración.
30. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 29, en el que al menos uno de los
sensores es un acelerómetro.
31. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 1, en el que dicha información
incluye ángulos de articulación entre segmentos unidos de dicho
sistema de refuerzos.
32. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 1, en el que dicha información
incluye aceleraciones de las partes del cuerpo del usuario.
33. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 1, en el que dicha información
incluye velocidades angulares.
34. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 1, en el que se incorpora un
procesador (14) a la unidad de control, siendo apto dicho procesador
para ejecutar un algoritmo de control del movimiento.
35. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 34, en el que dicho algoritmo
comprende órdenes que determinan los ángulos entre los segmentos
unidos y la posición de los segmentos unidos, de modo que puedan
ejecutarse ciertos modos predeterminados de funcionamiento en dicho
sistema de refuerzos.
36. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 1, en el que al menos uno de
dichos modos de funcionamiento se inicia cuando se supera un valor
umbral en la posición angular de al menos uno de los segmentos
unidos.
37. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 1, en el que al menos uno de
dichos modos de funcionamiento se inicia al recibir una señal
controlada por al menos uno de dichos sensores, indicando dicha
señal que se ha superado un valor umbral en el ángulo de inclinación
del torso de la persona.
38. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 1, en el que dicha unidad de
control se comunica con dichos medios impulsores a través de los
impulsores de potencia (18).
39. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 1, en el que al menos uno de los
sensores se comunica con dicha unidad de control a través de las
interfaces de respuesta (22).
40. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo de
locomoción de la marcha comprende también una unidad de seguridad
(24) y una unidad de pruebas incorporada
(24).
(24).
41. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 40, en el que dicha unidad de
seguridad se comunica con dicha unidad de control.
42. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 40, en el que dicha unidad de
seguridad se comunica con al menos uno de los sensores.
43. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo de
locomoción de la marcha comprende también una unidad de
potencia.
44. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 1, en el que al menos uno de los
sensores proporciona una señal de alerta.
45. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 44, en el que la señal de alerta
indica el estado de la potencia del dispositivo de locomoción de la
marcha.
46. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 44, en el que la señal de alerta
indica la presencia de corriente en dichos medios impulsores.
47. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo de
locomoción de la marcha comprende también al menos un sensor de
temperatura.
48. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 47, en el que dicho dispositivo
de locomoción de la marcha comprende también protección contra
sobrecalentamiento.
49. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 48, en el que se controla la
temperatura de los medios impulsores.
50. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 47, en el que se controla la
temperatura de la unidad de control.
51. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo de
locomoción de la marcha comprende también un sistema de estimulación
eléctrica funcional (EEF).
52. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 51, en el que dicho dispositivo
de locomoción de la marcha comprende también electrodos para EEF,
estableciendo dichos electrodos comunicación eléctrica con un
generador de señales.
53. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 53, en el que dicho generador de
señales se comunica con dicha unidad de control.
54. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 52, en el que dicha unidad de
control comprende también órdenes que dictan una señal eléctrica que
es transmitida por los electrodos.
55. El dispositivo de locomoción de la marcha
reivindicado en la reivindicación 51, en el que dicha unidad de
control comprende también órdenes que activan el sistema de EEF.
56. El dispositivo de la reivindicación 35, en
el que el algoritmo comprende un algoritmo de modo de marcha que se
inicia desde los parámetros de modo de postura de parada,
comprendiendo dicho algoritmo las etapas siguientes: detección de
inclinación de la parte superior del cuerpo del usuario,
determinación del ángulo de inclinación y sus valores derivados;
cálculo de los parámetros de los pasos para un patrón de marcha, de
entre un conjunto de patrones, y control de la magnitud y la
velocidad de los pasos; inicio del paso de avance de una primera
extremidad del usuario mediante motores, y después de completarse un
paso con la primera extremidad, en caso de percibirse una nueva
inclinación de la parte superior del cuerpo, repetición de los pasos
anteriores sustituyendo la primera extremidad por la segunda
extremidad.
57. El dispositivo de la reivindicación 56, en
el que el algoritmo incluye un algoritmo para subir escaleras,
basado en el algoritmo del modo de marcha.
58. El dispositivo de la reivindicación 56, en
el que el algoritmo incluye un algoritmo para bajar escaleras,
basado en el algoritmo del modo de marcha.
59. El dispositivo correspondiente a la
reivindicación 56, en el que los motores de la cadera y la rodilla
siguen patrones predefinidos suministrados por el conjunto de
patrones y ajustados a los movimientos del usuario.
60. El dispositivo de la reivindicación 56, en
el que el algoritmo incluye una orden de giro.
61. El dispositivo de la reivindicación 35, en
el que el algoritmo incluye un algoritmo de transición entre
yacente - sedente - postura de parada.
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