ES2370895A1

ES2370895A1 - Robotic exoskeleton wearable for human arm. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Info

Publication number: ES2370895A1
Application number: ES201131435A
Authority: ES
Inventors: Roque Jacinto Saltaren Pazmiño; Jesús VARELA SANZ
Original assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Current assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2011-12-23
Anticipated expiration: 2031-08-31
Also published as: ES2370895B2

Abstract

The present invention relates to a robotic exoskeleton driven by parallel cables and mechanisms of reduced weight and volume, allowing the user to move comfortably and perform medical therapies, aids to the performance of forces of the orthotic type, activities related to sports practices or specialized training that require sequences of movements or help for everyday tasks. The system consists of a vest (8), to which are attached the exo-arm (2), the exo-forearm (3), a structure of parallel kinematics of the shoulder that allows to track the movements of the shoulder with respect to the body, a weight compensation system (4, 5) of the articulated assembly, power drives (6) that allow to move in a controlled manner the articulated arm, an autonomous power system and a computer-based control unit (1) in the one that will reside the procedures of control of movement, that can be programmed, tele-operated or coordinated. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano.Wearable robotic arm exoskeleton human.

Campo de la invenciónField of the Invention

La presente invención se engloba dentro del campo de medicina de rehabilitación, equipos de entrenamiento deportivo, robótica de cinemática paralela y robots asistenciales. En concreto, la invención se refiere a exoesqueletos que se pueden superponer al brazo de una persona para proporcionarle asistencia en rehabilitación, en entrenamiento deportivo, o en la vida diaria, ayudando a mover los brazos, según patrones de movimiento destinados a conseguir su rehabilitación o entrenamiento o la ejecución de los movimientos diarios más frecuentes.The present invention is encompassed within the Rehabilitation medicine field, training equipment sports, robotics of parallel kinematics and assistance robots. Specifically, the invention relates to exoskeletons that can be overlap a person's arm to provide assistance in rehabilitation, in sports training, or in daily life, helping to move the arms, according to intended movement patterns to get your rehabilitation or training or the execution of most frequent daily movements.

Antecedentes de la invenciónBackground of the invention

En la actualidad, los robots de rehabilitación que existen en el mercado internacional se pueden clasificar en:Currently, rehabilitation robots that exist in the international market can be classified into:

1.one.: Robots fijos: Son de gran tamaño, peso e inercias. Necesitan estar anclados a una silla, al suelo o a una pared. Su apariencia es la de un robot industrial que rodea al usuario que suele estar sentado. El paciente no se puede desplazar.Fixed robots: They are large, weight and inertia They need to be anchored to a chair, the floor or a wall. Its appearance is that of an industrial robot that surrounds the User who is usually sitting. The patient cannot displace.

2.2.: Robots tipo jaula: Es una estructura esquelética de habitación de cuyos extremos salen cables que controlan la posición del brazo del paciente, tumbado en una camilla en el centro. Es una estructura fija, muy voluminosa que se instala en centros hospitalarios.Cage type robots: It is a structure skeletal room whose ends come out wires that control the position of the patient's arm, lying on a stretcher in the middle. It is a fixed, very bulky structure that is installed in hospital centers.

3.3.: Robots tipo joystick: El usuario agarra con la mano un elemento, que puede envolver o no su muñeca y lo desplaza en un área de trabajo reducida. Un ordenador situado frente a él reproduce los movimientos realizados de forma simplificada (acercamiento o alejamiento de puntos).Joystick type robots: The user grabs with the hand an element, which may or may not wrap your wrist and what Shifts in a reduced work area. A computer in front it reproduces the movements made in a simplified way (zoom in or out of points).

4.Four.: Exoesqueletos. Son robots que se colocan sobre el brazo para aumentar su fuerza o para hacer rehabilitación. La mayoría de los modelos conocidos presentan grandes estructuras mecánicas y disponen de grandes actuadores de potencia para moverlas. Algunos son robots de cuerpo completo para soportar el peso del robot. Las versiones que sólo cubren la parte superior del cuerpo, son el maestro que permite controlar a un robot externo esclavo. Sólo utilizables por personas sanas.Exoskeletons They are robots that placed on the arm to increase its strength or to make rehabilitation. Most known models present large mechanical structures and have large actuators of power to move them. Some are full body robots for bear the weight of the robot. The versions that only cover the part upper body, they are the master that allows to control a robot External slave Only usable by healthy people.

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Las principales deficiencias o desventajas y problemas no resueltos de estos modelos son:The main deficiencies or disadvantages and Unsolved problems of these models are:

--: Gran volumen: Dificulta la movilidad en los entornos humanos e impide llevarlo a casa o a diario con el paciente.Great Volume: Difficult mobility in human environments and prevents Take it home or daily with the patient.

--: Gran peso: Un exoesqueleto pesado no es apto para pacientes que tienen los músculos débiles o personas mayores.Great Weight: A heavy exoskeleton is not suitable for patients who have weak muscles or older people.

--: Apariencia industrial: Un robot grande atemoriza. Además estigmatiza a su usuario. Su aspecto imposibilita su uso diario en los entornos en que la persona se mueve habitualmente.Industrial appearance: A large robot frightening It also stigmatizes its user. Its impossible appearance its daily use in the environments in which the person moves habitually.

--: Complejidad: Los elementos de alta precisión, materiales caros, y mecanismos complejos impiden su aplicación doméstica. El reto es conseguir una solución eficaz y sencilla.Complexity: The high elements precision, expensive materials, and complex mechanisms prevent its domestic application The challenge is to achieve an effective solution and simple.

--: Articulación del hombro: Casi todos los sistemas robóticos tratan el hombro como una junta esférica, pero en realidad su comportamiento no es este. El hombro no mantiene una posición fija ni un eje o centro del giro fijo. Se desplaza arriba-abajo y delante-detrás, cambiando así el centro de giro durante los movimientos.Shoulder joint: Almost every robotic systems treat the shoulder like a spherical joint, but in Actually your behavior is not this. The shoulder does not maintain a fixed position or a fixed axis or center of rotation. Moves up-down and front-back, thus changing the center of rotation during movements.

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En 1995 Marc D. Taylor patentó (US5,417,643, referencia [2]) un soporte rudimentario para el brazo anclado a una silla en la que se coloca al usuario que permitía hacer ejercicios de elevación y rotación del brazo con fines de rehabilitación. Desde entonces ha habido una tendencia clara en diseño de robots de rehabilitación a situar al paciente en una silla de ruedas o fija y colocarlo junto al robot que moverá su brazo. A este tipo de robots, que llamaremos "robots fijos", corresponden diseños como el divulgado en la patente US6,007,500 [8] de 1999, el divulgado en la referencia [9] de 2003, el ARMin, ARMin II, ARMin III de la universidad de Zurich [3] de 2007, o el robot de TSAI de la Universidad Nacional de Taiwan [4] del 2010.In 1995 Marc D. Taylor patented (US5,417,643, reference [2]) a rudimentary support for the arm anchored to a chair in which the user who allowed to exercise is placed of elevation and rotation of the arm for rehabilitation purposes. Since then there has been a clear trend in robot design of rehabilitation to place the patient in a wheelchair or fixed and place it next to the robot that will move your arm. To this kind of robots, that we will call "fixed robots", correspond designs like the disclosed in US6,007,500 [8] of 1999, the one disclosed in the reference [9] of 2003, the ARMin, ARMin II, ARMin III of the University of Zurich [3] of 2007, or the TSAI robot of the National Taiwan University [4] of 2010.

En 1998, Mark E. Rosheim presentó una de las primeras patentes de exoesqueleto moderno, US5,845,540-B1 [6]. Se trata de un sistema maestro-esclavo en el cual un operador humano se coloca sobre el cuerpo el exoesqueleto y lo usa como joystick maestro para manejar un robot esclavo. A este tipo, "Exoesqueletos maestro-esclavo", corresponden el divulgado en la patente 5,845,540 [5] patentado en 2001 por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Seúl y el modelo patentado por Schiele, Andre Visentin, Gianfranco, EP1364755-B1 [1], presentado dos años después para aplicaciones espaciales.In 1998, Mark E. Rosheim presented one of the first patents of modern exoskeleton, US5,845,540-B1 [6]. It is a system master-slave in which a human operator is place the exoskeleton on the body and use it as a joystick master to handle a slave robot. To this guy, "Exoskeletons master-slave ", correspond the one disclosed in the patent 5,845,540 [5] patented in 2001 by the Institute of Science and Seoul Technology and the model patented by Schiele, Andre Visentin, Gianfranco, EP1364755-B1 [1], presented Two years later for space applications.

El producto ReoTherapy ReoGo de Motorika [11] del 2009 es un joystick de gran tamaño, que llega desde el suelo hasta la altura de la mano de una persona sentada en una silla de ruedas. El usuario mueve la palanca y un programa de ordenador muestra en una pantalla el movimiento de un punto que representa su mano. Le propone objetivos que el usuario debe alcanzar motivándolo mediante el juego de ordenador a ejecutar movimientos.Motorika's ReoTherapy ReoGo product [11] of 2009 is a large joystick, which arrives from the ground up to the hand of a person sitting in a chair wheels. The user moves the lever and a computer program it shows on a screen the movement of a point that represents its hand. It proposes objectives that the user must achieve by motivating through the computer game to execute movements.

El MacARM [12] de Intelligent automation Inc del 2005 es un robot fijo de tipo jaula. El paciente se tumba en una camilla en el interior y unos cables desde las esquinas de la jaula desplazan su brazo por el espacio con fines de rehabilitación. Las invenciones [15] y [16] son relativas al "Sistema para entrenamiento bilateral" que consiste en una gran plataforma inclinada que se fija sobre una mesa o superficie plana. El paciente agarra unas manivelas y estas mueven las manos del paciente en movimientos deslizantes hacia delante y detrás. El sistema no es portable, ni exoesquelético. Corresponde al tipo "robot fijo".The MacARM [12] of Intelligent automation Inc 2005 is a fixed cage type robot. The patient lies in a stretcher inside and some cables from the corners of the cage they move their arm through space for rehabilitation purposes. The inventions [15] and [16] are related to the "System for bilateral training "consisting of a large platform inclined that is fixed on a table or flat surface. The patient grab some cranks and these move the patient's hands in sliding movements forward and backward. The system is not portable, or exoskeletal. Corresponds to the type "robot permanent".

La patente de referencia [1], EP1364755-B1, del 2003 es un exoesqueleto para brazo con 16 grados de libertad pensado para aplicaciones espaciales, concebido como un sistema maestro para dar órdenes a un robot esclavo para trabajos de mantenimiento en el espacio, devolviendo una realimentación de fuerzas (tipo joystick) que contribuya a manejar al robot esclavo con comodidad. Tiene mecanismos complejos como la unidad de actuación telescópica, un alto número de actuadores, sistemas de pretensado ajustables y muchos cables recorriendo el exoesqueleto para controlar las numerosas juntas. Su diseño no está bien adaptado a la rehabilitación, ni al entrenamiento, ni al uso por personas con debilidad motora. Para estas aplicaciones se requiere un sistema ligero, que pueda conseguir gran movilidad. La presente invención lo consigue con tan sólo 5 actuadores, y usando elementos ligeros, de reducido volumen y fácilmente ocultables. Además consigue un seguimiento correcto del movimiento del hombro gracias a la estructura paralela del hombro, y dispone de un sistema de compensación del peso del brazo que no tiene la patente EP1364755-B1, por estar concebida para ser movida por un brazo humano y no para mover el brazo.The reference patent [1], EP1364755-B1, from 2003 is an exoskeleton for arm with 16 degrees of freedom designed for space applications, conceived as a master system to give orders to a robot slave for maintenance work in space, returning a feedback of forces (joystick type) that contributes to handle the slave robot with comfort. It has complex mechanisms as the telescopic acting unit, a high number of actuators, adjustable prestressing systems and many cables touring the exoskeleton to control the numerous joints. its design is not well adapted to rehabilitation, nor to training, or use by people with motor weakness. For These applications require a lightweight system, which can Get great mobility. The present invention achieves it with such only 5 actuators, and using light elements, of reduced volume and easily hidden. Also get a correct track of Shoulder movement thanks to the parallel structure of the shoulder, and it has an arm weight compensation system that does not It has the patent EP1364755-B1, for being conceived to be moved by a human arm and not to move the arm.

La solicitud de patente PCT/ES2009/070305 titulada "Brazo robótico para el control del movimiento del brazo" [10] pertenece al grupo de "robots fijos" en una versión particular que sitúa al paciente sobre una camilla hospitalaria. El robot va anclado al techo y toma el brazo por su parte más alejada del cuerpo. Como todos los robots fijos no son aptos para acompañar a un paciente que se desplaza.Patent application PCT / ES2009 / 070305 entitled "Robotic arm for movement control of the arm "[10] belongs to the group of" fixed robots "in a particular version that puts the patient on a stretcher hospital. The robot is anchored to the ceiling and takes the arm by its furthest part of the body. Like all fixed robots are not suitable to accompany a patient who moves.

El exoesqueleto RUPERT [19] del que existen ya tres versiones, es un exoesqueleto actuado por sistemas neumáticos, con cuatro grados de libertad, uno en el hombro, dos en el codo y otro en la muñeca. Las principales debilidades de esta solución son que no lleva compensación de gravedad, que sólo dispone de un grado de libertad en el hombro, lo que hace inviable seguir a esta articulación en un rango normal de movimientos y la presencia de actuación neumática que obliga a conectarse a una fuente externa de aire a presión, que reduce su independencia y movilidad y lo hace ruidoso y difícil de ocultar a la vista.The RUPERT exoskeleton [19] that already exist three versions, it is an exoskeleton operated by pneumatic systems, with four degrees of freedom, one on the shoulder, two on the elbow and Another on the wrist. The main weaknesses of this solution are that does not carry severity compensation, which only has a degree of freedom in the shoulder, which makes it unfeasible to follow this articulation in a normal range of movements and the presence of pneumatic actuation that forces to connect to an external source of pressurized air, which reduces its independence and mobility and does Noisy and hard to hide from view.

La patente US7,862,524-B2 de referencia [7] es un exoesqueleto para el brazo para fines de rehabilitación del hombro que consta de potentes actuadores de potencia y voluminosas reductoras de tipo "harmonic drive" emplazadas directamente en las uniones de los eslabones que componen la estructura. Por su diseño es un sistema pesado, y que lógicamente necesita que los actuadores sean grandes, que no se pueden esconder y genera importantes pesos e inercias que complican el control del movimiento del brazo. Se distingue prácticamente de todos los modelos anteriores por tener una articulación torso-hombro que no aparece en ningún otro modelo. Esto supone un paso importante en la resolución del problema del hombro, pero sólo considera el desplazamiento del hombro en el plano frontal y fundamentalmente en vertical, lo que constituye una solución incompleta.US7,862,524-B2 of reference [7] is an exoskeleton for the arm for the purpose of shoulder rehabilitation consisting of powerful actuators of Powerful and bulky "harmonic drive" type reducers located directly at the junctions of the links that make up the structure. By design it is a heavy system, and that logically you need the actuators to be large, which cannot be hidden and generates important weights and inertia that complicate the control of arm movement It is distinguished from virtually all previous models for having a joint shoulder-torso that does not appear on any other model. This is an important step in solving the problem of shoulder, but only consider shifting the shoulder in the plane frontally and fundamentally vertically, which constitutes a incomplete solution

Hasta hoy no se conocen modelos de bajo coste, ni modelos de peso reducido con fuerza para mover el brazo del enfermo, ni sistemas de rehabilitación portátiles que se puedan llevar al propio hogar, ni exoesqueletos portables con compensación pasiva de la gravedad, ni sistemas que se adapten bien a la movilidad del hombro, ni exoesqueletos de entrenamiento deportivo que permitan practicar movimientos para perfeccionar la ejecución de los mismos. La presente invención resuelve los problemas comentados.Until today there are no known low-cost models, nor models of reduced weight with force to move the arm of the sick, or portable rehabilitation systems that can be bring home, or portable exoskeletons with compensation passive gravity, or systems that adapt well to the shoulder mobility, or sports training exoskeletons that allow practicing movements to improve the execution of the same. The present invention solves the problems commented.

Referencias References

[1] Patente EP1364755-B1. Título: "Exoesqueleto para un brazo humano, Particularmente para aplicaciones espaciales". Publicación BOPI (OEMP): ES2334780-T3. Autores: Andre Schiele; Gianfranco Visentin.[1] Patent EP1364755-B1. Title: "Exoskeleton for a human arm, Particularly for space applications". BOPI Publication (OEMP): ES2334780-T3. Authors: Andre Schiele ; Gianfranco Visentin .

[2] Patent Number US 5,417,643. "Continuous passive motion exercise device" Inventor: Marc D. Taylor, Columbus, Ohio. Asignado a: Danninger Medical Technology, Inc, Columbus Ohio.[2] US Patent Number 5,417,643. "Continuous passive motion exercise device "Inventor: Marc D. Taylor, Columbus, Ohio Assigned to: Danninger Medical Technology, Inc, Columbus Ohio

[3] "ARMin-Exoskeleton for Arm Therapy in Stroke Patients" Tobias Nef, Matjaz Mihelj, Gabriela Kiefer, Christina Perndl, Roland Müller, Robert Riener, member IEEE. University Zurich, Switzerland. 2007.[3] "ARMin-Exoskeleton for Arm Therapy in Stroke Patients" Tobias Nef , Matjaz Mihelj , Gabriela Kiefer , Christina Perndl , Roland Müller , Robert Riener , member IEEE. University Zurich, Switzerland 2007

[4] TSAI - OCT 2010] "An Articulated Rehabilitation Robot for Upper Limb Physiotherapy and Training". B.-C. Tsai, W.-W. Wang, L-C. Fu and J.-S. Lai National Taiwan University Hospital, National Taiwan University, Taiwan.[4] TSAI - OCT 2010] "An Articulated Rehabilitation Robot for Upper Limb Physiotherapy and Training". B.-C. Tsai , W.-W. Wang , LC. Fu and J.-S. Lai National Taiwan University Hospital, National Taiwan University, Taiwan.

[5] Patent No: US 6,301,526 B1. "Master device having force reflection function". Inventores: Mun Sang Kim, Soo Yong Lee, Chong won Lee del ``Institute of Science and Technology, Seoul (KR).[5] Patent No: US 6,301,526 B1. "Master device having force reflection function ". Inventors: Mun Sang Kim, Soo Yong Lee, Chong won Lee of the `` Institute of Science and Technology, Seoul (KR).

[6] U.S. 5,845,540 "Robotic Manipulator" Inventor Mark E. Rosheim, St Paul, Minn. Por ``Ross-Hime Designs, Incorporated, St. Paul, Minn.[6] U.S. 5,845,540 "Robotic Manipulator" Inventor Mark E. Rosheim, St Paul, Minn. By `` Ross-Hime Designs, Incorporated, St. Paul, Minn.

[7] Patent Number US 7,862,524 B2 "Portable arm exoskeleton for shoulder rehabilitation". Inventores: Craig R. Carignan, Michael Scott Liszka. Jan. 4, 2011.[7] US Patent Number 7,862,524 B2 "Portable arm exoskeleton for shoulder rehabilitation ". Inventors: Craig R. Carignan, Michael Scott Liszka. Jan. 4, 2011.

[8] Patente U.S. 6,007,500 "Shoulder, rotator cuff, and elbow stretching machine". Inventor John J. Quintinskie, Jr. 31025 5th Ave. South, Federal Way, Wash 98003. Dec. 28, 1999.[8] U.S. Patent 6,007,500 "Shoulder, rotator cuff, and elbow stretching machine ". Inventor John J. Quintinskie, Jr. 31025 5th Ave. South, Federal Way, Wash 98003. Dec. 28, 1999.

[9] "Upper extremity exoskeleton structure and method". Inventores: Vladimir Zemlyakov, Haverhill MA (US); Patrick McDonough, Kensington, NH (US). Jun. 26, 2003.[9] "Upper extremity exoskeleton structure and method ". Inventors: Vladimir Zemlyakov, Haverhill MA (US); Patrick McDonough, Kensington, NH (US). Jun. 26, 2003.

[10] Solicitud de patente PCT/ES2009/070305 "Brazo robótico para el control del movimiento del brazo". Inventores: Jose María Sabater Navarro, Eduardo Fernandez Jover, Nicolas Manuel García Aracil, Jose María Azorín Poveda, Carlos Perez Vidal. 11 marzo 2010.[10] Patent application PCT / ES2009 / 070305 "Robotic arm to control arm movement". Inventors: Jose María Sabater Navarro, Eduardo Fernandez Jover, Nicolas Manuel García Aracil, Jose María Azorín Poveda, Carlos Perez Vidal. March 11, 2010.

[11] ReoTherapy ReoGo de Motorika. Producto comercial.[11] ReoTherapy ReoGo by Motorika. Product commercial.

[12] "Development of the MACARM - a Novel Cable Robot for Upper Limb Neurorehabilitation". David Mayhew, Benjamin Bachrach, W. Zev Rymer, and Randall F. Beer. Proceedings of the 2005 IEEE.[12] "Development of the MACARM - a Novel Cable Robot for Upper Limb Neurorehabilitation". David Mayhew , Benjamin Bachrach , W. Zev Rymer , and Randall F. Beer . Proceedings of the 2005 IEEE.

[13] Solicitud de patente europea EP02075669 "Dispositivo de locomoción de la marcha". Inventor: Amit Goffer por ARGO Medical Tech. 2002.[13] European patent application EP02075669 "Gear locomotion device". Inventor: Amit Goffer by ARGO Medical Tech. 2002 .

[14] Solicitud de patente internacional PCT/CH2002/000255 "Dispositivo de reeducación y/o entrenamiento de los miembros inferiores de la persona". Inventores: Roland Brodard, Raymond Clavel por la Fondation Suisse por les Cybertheses.[14] International patent application PCT / CH2002 / 000255 "Reeducation and / or training device the lower limbs of the person. "Inventors: Roland Brodard, Raymond Clavel for the Fondation Suisse for les Cybertheses

[15] "Dispositivo ortésico dinámico para la monitorización, diagnóstico y supresión de temblor patológico". Inventores: Jose Luis Pons Rovira, Eduardo Rocon de Lima, Andre Ruiz Olaya, Ramón Ceres Ruiz, Leopoldo Calderón Estevez, Juan Manuel Belda - Lois, Javier Sanchez Lacuesta, Ricard Barbera Guillem, Jaime Prat Pastor. C.S.I.C. Instituto de biomecánica de Valencia. 2008.[15] "Dynamic orthotic device for monitoring, diagnosis and suppression of pathological tremor". Inventors: Jose Luis Pons Rovira, Eduardo Rocon de Lima, Andre Ruiz Olaya, Ramón Ceres Ruiz, Leopoldo Calderón Estevez, Juan Manuel Belda - Lois, Javier Sanchez Lacuesta, Ricard Barbera Guillem, Jaime Prat Pastor. CSIC Institute of Biomechanics of Valencia. 2008

[16] "Mecanismo de desplazamiento cartesiano con transmisión única y doble accionamiento". Inventores: Jose Miguel Sanchez Soler, Miguel Ángel Abad Martín-Camuas, Artemio Paya Vicens. 2006.[16] "Cartesian travel mechanism with single transmission and double drive". Inventors: Jose Miguel Sanchez Soler, Miguel Ángel Abad Martín-Camuas, Artemio Paya Vicens. 2006

[17] PAT US 2001/001,222 "Dispositivo para el entrenamiento bilateral" Jill Whitall, Sandy McCombe-Waller, David Grant.[17] PAT US 2001 / 001,222 "Device for bilateral training" Jill Whitall , Sandy McCombe-Waller , David Grant .

[18] PAT US 2006/0,194,677 "Bilateral arm trainer and method of use". Jill Whitall, Sandy McCombe-Waller, David Grant. Continuación de la solicitud del 2002 PCT/US01/001222.[18] PAT US 2006 / 0.194.677 "Bilateral arm trainer and method of use". Jill Whitall , Sandy McCombe-Waller , David Grant . Continued request for 2002 PCT / US01 / 001222.

[19] "Design and Control of RUPERT: A device for Robotic Upper Extremity Repetitive Therapy". Thomas G. Sugar, Jiping He, Edward J. Koeneman, James B. Koeneman, Richard Herman, H. Huang, Robert S. Shultz, D.E. Herring, J. Wanberg, Sivakumar Balasubramanian, Pete Swenson, Jeffrey A. Ward. IEEE Transactions on neural systems and rehabilitation engineering vol 15. N-3 Sept 2007.[19] "Design and Control of RUPERT: A device for Robotic Upper Extremity Repetitive Therapy". Thomas G. Sugar , Jiping He , Edward J. Koeneman , James B. Koeneman , Richard Herman , H. Huang , Robert S. Shultz , DE Herring , J. Wanberg , Sivakumar Balasubramanian , Pete Swenson , Jeffrey A. Ward . IEEE Transactions on neural systems and rehabilitation engineering vol 15. N-3 Sept 2007.

Descripción de la invenciónDescription of the invention

La presente invención se refiere a un exoesqueleto robotizado vestible accionado por cables y mecanismos paralelos que lo caracterizan por ser de reducido peso y volumen para ser vestido sobre el tronco humano y los brazos y que puede ser utilizado de manera habitual para aportar fuerza al usuario.The present invention relates to a wearable robotic exoskeleton powered by cables and mechanisms parallels that characterize it for being of reduced weight and volume to be dressed on the human trunk and arms and that can be used routinely to provide strength to the user.

La presente invención resuelve los problemas del estado del arte anteriormente enumerados mediante una estructura paralela con componentes elásticos que tiene en cuenta los grados de libertad adicionales debidos al desplazamiento del punto de giro del hombro en las tres dimensiones del espacio. El conjunto de la plataforma paralela del hombro aporta, no solo el movimiento torso-hombro que permite su elevación en el plano frontal, sino también el movimiento en los planos sagital y transversal no considerados en el diseño de la patente US6,007,500, ni en ningún otro. Adicionalmente hay que resaltar que esta movilidad se consigue de forma pasiva (muelles superior e inferiores), por lo cual, sigue correctamente los movimientos del hombro en cualquiera de los modos de realización presentados, y no de forma aproximada.The present invention solves the problems of state of the art listed above through a structure parallel with elastic components that takes into account the degrees of additional freedom due to displacement of the pivot point of the Shoulder in the three dimensions of space. The whole of the parallel shoulder platform provides not only movement shoulder-torso that allows its elevation in the plane frontal, but also the movement in the sagittal planes and Transversal not considered in the design of US6,007,500, nor in any other. Additionally it should be noted that this mobility is achieved passively (upper springs and lower), therefore, correctly follow the movements of the shoulder in any of the presented embodiments, and not Approximately

Además el robot exoesquelético vestible tiene un accionamiento basado en cables, que distribuye los actuadores de potencia fuera del brazo, es mucho más ligero, menos voluminoso, con menor consumo, y por todo ello, una visión completamente diferente en la que la mecánica se puede esconder de la vista y su reducido peso lo hace mucho más apto para ser empleado por personas con debilidad motora.In addition, the wearable exoskeletal robot has a cable-based drive, which distributes the actuators of off-arm power, is much lighter, less bulky, with lower consumption, and for all this, a completely different view in which the mechanics can hide from sight and its reduced weight makes it much more apt to be employed by people with motor weakness

El sistema es aplicable en la asistencia a personas con limitaciones motoras, en funciones de rehabilitación de las extremidades o ayuda al movimiento de estas. Es aplicable también en actividades de tipo general que requieran control y coordinación de movimientos tales como: entrenamiento deportivo (tenis, ping-pong,...), entrenamientos de tipo médico quirúrgico (aplicaciones de laparoscopia, etc.), manipulaciones especializadas en control de navegación, caracterizadas por la capacidad del dispositivo de reproducir movimientos prefijados o controlados por un asistente mediante operación directa o remota.The system is applicable in the assistance to people with motor limitations, in functions of rehabilitation of the limbs or aid to the movement of these. Is applicable also in general activities that require control and coordination of movements such as: sports training (tennis, ping-pong, ...), type workouts surgical physician (laparoscopy applications, etc.), specialized manipulations in navigation control, characterized by the ability of the device to reproduce movements predetermined or controlled by an assistant through direct or remote operation.

El exoesqueleto objeto de la presente invención aporta las siguientes ventajas:The exoskeleton object of the present invention It provides the following advantages:

- Ligereza o reducción de peso y volumen: Evita que el usuario cargue peso innecesariamente y le permite moverse con libertad por entornos humanos. Además todo contribuye a poder llevarse el robot a casa y a la calle. Esta ventaja es proporcionada por el accionamiento de cables (que permiten sacar los motores del brazo, reduciendo el peso del mismo y el tamaño de los actuadores necesarios), por la estructura cinemática paralela del hombro (que permite reducir el número de actuadores necesario para hacer un buen seguimiento del hombro) y por el sistema de compensación cinetostático (un muelle superior y dos muelles inferiores compensan el peso del brazo, por lo que se requiere menos par para moverlo, reduciendo así el tamaño y peso de los motores).- Lightness or reduction in weight and volume: Avoid that the user loads weight unnecessarily and allows him to move with Freedom for human environments. In addition everything contributes to power take the robot home and to the street. This advantage is provided. by the cable drive (which allow the motors to be removed from the arm, reducing the weight of the same and the size of the actuators necessary), by the parallel kinematic structure of the shoulder (which allows to reduce the number of actuators necessary to make a good shoulder tracking) and by the compensation system kinetostatic (an upper spring and two lower springs compensate the weight of the arm, so less torque is required to move it, thus reducing the size and weight of the engines).

- Seguimiento correcto del hombro: Seguimiento correcto de los desplazamientos del hombro respecto al cuerpo en el espacio (proporciona 3 grados de libertad adicionales). Evita dolor y molestias al usuario. Proporcionado por la estructura de cinemática paralela del hombro (por el diseño de la estructura que une exo-brazo y chaleco, se consigue seguir el movimiento del hombro en el espacio sin forzarlo).- Correct shoulder tracking: Follow up correct shifts of the shoulder with respect to the body in the space (provides 3 additional degrees of freedom). Avoid pain and inconvenience to the user. Provided by the structure of parallel kinematics of the shoulder (because of the structure design that joins exo-arm and vest, you can follow the shoulder movement in space without forcing it).

- Sencillez y bajo coste: Para poder dar acceso a tratamiento a muchos pacientes. El diseño evita los elementos complejos de pretensado y ajuste.- Simplicity and low cost: To be able to give access to treatment to many patients. The design avoids the elements prestressing and adjustment complexes.

- Sencillez de grabación de movimientos y sencillez de control para el usuario: Intuitivo para médicos, terapeutas, entrenadores y usuarios. Proporcionado por unos dedales o sensores de presión externos, que permiten un guiado sencillo e intuitivo del brazo muy parecido al que usaría un médico en el tratamiento manual. Permiten también al usuario mover con un dedo o dos su brazo impedido.- Simplicity of movement recording and user control simplicity: Intuitive for doctors, Therapists, trainers and users. Provided by some thimbles or external pressure sensors, which allow simple guidance and intuitive arm very similar to what a doctor would use in the manual treatment They also allow the user to move with a finger or two his arm prevented.

- Versatilidad: Proporcionado por un computador programable y los dedales externos, permitiendo que resulte sencillo grabar múltiples y diferentes movimientos para repetir su ejecución.- Versatility: Provided by a computer programmable and external thimbles, allowing it to be simple record multiple and different movements to repeat your execution.

- Comodidad, ajuste al cuerpo: Proporcionado por acolchamientos, zonas de sujeción amplias, puntos de apoyo rígidos y amplios de componentes que soportan presiones y fijaciones mediante bandas elásticas, que hacen que el usuario no sienta esfuerzos puntuales o localizados en áreas concretas de su cuerpo. Los esfuerzos se distribuyen en amplias zonas mejorando su confort.- Comfort, fit to the body: Provided by padding, wide restraint areas, rigid support points and wide components that withstand pressures and fixations through elastic bands, which make the user feel no effort punctual or located in specific areas of your body. The Efforts are distributed in large areas improving your comfort.

- Método sencillo de mejorar el control de los cables: Proporcionado por poleas helicoidales, que hacen que el cable de tracción vaya por el surco y así se evita que el cable se monte sobre sí mismo de forma aleatoria en diferentes vueltas. Esto permite saber mejor la cantidad de cable recogido o liberado, mejorando el control de posición de forma sencilla, ligera y de bajo coste.- Simple method of improving the control of Cables: Provided by helical pulleys, which make the traction cable goes through the groove and thus prevents the cable from Mount on yourself randomly on different turns. This lets you know better the amount of cable collected or released, improving position control in a simple, light and low way cost.

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La presente invención dispone de importantes características técnicas, las cuales permiten solucionar distintos problemas:The present invention has important technical characteristics, which allow to solve different problems:

- Estructura cinemática paralela del hombro, que proporciona las siguientes ventajas:- Parallel kinematic structure of the shoulder, which It provides the following advantages:

\bullet?: Seguimiento correcto del hombro: Permite seguir el movimiento del eje de giro del hombro en todas direcciones. Es decir, además de los tres grados de libertad básicos cubre el desplazamiento del hombro en vertical y horizontal (en los planos frontal, sagital y transversal), gracias a sus elementos elásticos, sin producir daño ni molestia al usuario y permitiendo el control del brazo.Correct shoulder tracking: It allows to follow the movement of the axis of rotation of the shoulder in all addresses. That is, in addition to the three basic degrees of freedom covers the displacement of the shoulder vertically and horizontally (in the frontal, sagittal and transverse planes), thanks to its elements elastic, without causing harm or discomfort to the user and allowing the arm control

\bullet?: Ligereza o reducción de peso y volumen: Un muelle superior y dos muelles inferiores compensan el peso del brazo, por lo que se requiere menos par para moverlo. Se reduce así el tamaño y peso de los motores y el número de elementos necesarios para su control (menos motores) y para el guiado de cables (menos cables, fundas, poleas,...), reduciéndose por tanto el peso del conjunto.Lightness or weight reduction and volume: An upper spring and two lower springs compensate for the arm weight, so less torque is required to move it. Be thus reduce the size and weight of the engines and the number of elements necessary for its control (less engines) and for the guidance of cables (less cables, covers, pulleys, ...), thus reducing the set weight

\bullet?: Reducción del consumo, aumento de la autonomía: Por usar motores de menor potencia, el consumo de energía es menor.Consumption reduction, increase of autonomy: By using lower power engines, the consumption of Energy is less.

\bullet?: Sencillez y bajo coste: Emplea pocos elementos, sencillos y ligeros (muelles, cables y piezas sencillas). Evita sistemas complicados de pretensado y sistemas de múltiples poleas de guiado o mantenimiento de tensión en los cables. Evita además sistemas de seguimiento del hombro basados en múltiples grados de libertad o en grandes y pesadas piezas rígidas que requieren precisión y ausencia de holguras que encarecen el sistema. No se necesita titanio o materiales caros para su construcción eficaz. Se puede hacer con materiales de uso corriente.Simplicity and low cost: Employ few elements, simple and lightweight (springs, cables and parts simple). Avoid complicated prestressing systems and systems multiple pulleys for guiding or maintaining tension in the cables. Avoid multiple shoulder tracking systems based on multiple degrees of freedom or in large and heavy rigid pieces that they require precision and absence of gaps that make the system more expensive. No titanium or expensive materials are needed for its construction effective. It can be done with commonly used materials.

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\bullet?: Gran área de trabajo útil: Por su diseño, permite el funcionamiento manteniendo una gran área de trabajo útil. Otros mecanismos del estado del arte limitan el área de trabajo real por el tamaño de sus motores, o por sus estructuras, que colisionan en ciertas posturas o por los mecanismos complejos que circundan el brazo o por la dificultad de mantener la fuerza de tracción en todas las posiciones sin añadir actuadores adicionales.Large useful work area: By Its design allows operation while maintaining a large area of useful work Other mechanisms of the state of the art limit the area of real work by the size of its engines, or by its structures, that collide in certain positions or by complex mechanisms surrounding the arm or because of the difficulty of maintaining the strength of traction in all positions without adding actuators additional.

\bullet?: Camuflable: El diseño hace que no sobresalgan piezas voluminosas, lo que lo hace ocultable a la vista bajo la ropa. Esto facilita la aceptación del paciente.Camouflage: The design makes bulky pieces do not protrude, which makes it concealed from the View under clothes. This facilitates the acceptance of patient.

- Actuación mediante cables: Proporciona ligereza, reducción de peso y volumen, reducción del consumo y permite que sea camuflable. Permite trasladar los motores fuera del brazo, reduciendo el peso de la carga y por tanto la necesidad de par motor.- Cable performance: Provides lightness, weight and volume reduction, consumption reduction and Let it be camouflaged. It allows to move the motors outside the arm, reducing the weight of the load and therefore the need for torque

- Exoesqueleto: Al tratarse la invención de un exoesqueleto, aporta movilidad al usuario, permitiéndole moverse con libertad por entornos diversos (hacer el tratamiento en casa, entrenar en cualquier sitio, recibir asistencia a un brazo impedido en la calle).- Exoskeleton: When dealing with the invention of a exoskeleton, provides mobility to the user, allowing him to move with freedom for diverse environments (do the treatment at home, train anywhere, receive assistance to an impaired arm on the street).

- Su diseño: Es camuflable, el diseño hace que no sobresalgan piezas voluminosas lo que lo hace ocultable a la vista bajo ropa. Esto facilita la aceptación del paciente y otros.- Your design: It is camouflaged, the design makes bulky pieces do not protrude which makes it concealed from the View under clothes. This facilitates patient acceptance and others.

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El exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano comprende:Wearable robotic arm exoskeleton human comprises:

- una exo-muñeca, que comprende al menos un anillo para soportar la muñeca del usuario y permitir su giro;- an exo-doll, which comprises at least one ring to support the user's wrist and allow their turn;

- un exo-antebrazo, unido a la exo-muñeca y encargado de soportar el antebrazo del usuario;- an exo-forearm, attached to the exo-wrist and in charge of supporting the forearm of Username;

- un exo-brazo encargado de soportar el brazo del usuario, unida al exo- antebrazo mediante una articulación móvil para permitir el giro del codo del usuario;- an exo-arm in charge of support the user's arm, attached to the ex-forearm by means of a mobile joint to allow the user's elbow to rotate;

- una unión del exo-brazo con la plataforma móvil del hombro para permitir la rotación del brazo en el hombro;- a union of the exo-arm with the mobile shoulder platform to allow arm rotation in the shoulder;

- una pluralidad de cables de tracción para forzar el movimiento de cada articulación;- a plurality of traction cables for force the movement of each joint;

- una pluralidad de actuadores de potencia para actuar los cables de tracción;- a plurality of power actuators for operate the traction cables;

- medios portadores para ser portados por el usuario y encargados de soportar los actuadores de potencia;- carrier means to be carried by the user and responsible for supporting the power actuators;

- una estructura de cinemática paralela del hombro, encargada de proporcionar la movilidad del brazo con respecto al hombro y de efectuar un seguimiento correcto de los desplazamientos del hombro respecto al cuerpo, que comprende al menos una pluralidad de cables que conectan un soporte de brazo, que actúa como plataforma móvil de la estructura de cinemática paralela, con los medios portadores, que actúan como plataforma base de la estructura de cinemática paralela.- a parallel kinematic structure of the shoulder, responsible for providing arm mobility with with respect to the shoulder and to correctly track the Shifts of the shoulder with respect to the body, which includes minus a plurality of cables that connect an arm support, which acts as a mobile platform for the parallel kinematics structure, with the carrier media, which act as the base platform of the parallel kinematics structure.

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La estructura de cinemática paralela del hombro comprende preferentemente un sistema de compensación de gravedad, formado por una pluralidad de muelles que conectan el soporte de brazo y los medios portadores para soportar parcial o totalmente el peso del brazo del usuario.The parallel kinematic structure of the shoulder preferably comprises a gravity compensation system, formed by a plurality of springs connecting the support of arm and carrier means to partially or fully support the weight of the user's arm.

En una realización preferida el sistema de compensación de gravedad comprende al menos uno de los siguientes:In a preferred embodiment the system of severity compensation comprises at least one of the following:

- un par de amortiguadores inferiores que soportan el brazo por delante y por detrás del mismo, apoyándose en dos puntos situados en la parte inferior de los medios portadores.- a pair of lower shock absorbers that support the arm in front of and behind it, leaning on two points located at the bottom of the media bearers

- un muelle superior anclado, en vertical cerca de una hombrera, a los medios portadores y unido por el otro extremo al soporte del brazo.- an upper dock anchored, vertically close from a shoulder pad, to the bearer means and joined by the other end to the arm support.

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La exo-muñeca está preferiblemente formada por tres anillos concéntricos, disponiendo el anillo central de forma de polea para guiar un cable tractor y poder rotar sobre su eje para girar la muñeca del usuario en sentido horario o antihorario.The exo-doll is preferably formed by three concentric rings, having the center pulley-shaped ring to guide a tractor cable and be able to rotate on its axis to rotate the user's wrist in the direction Schedule or counterclockwise.

Tanto el exo-antebrazo como el exo-brazo comprenden preferentemente, para mantener el brazo del usuario sujeto al exoesqueleto, una rejilla con forma de semicilindro, unos acolchamientos y unas fijaciones mediante bandas elásticas para sujetar el conjunto y distribuir la presión por todo el brazo.Both the exo-forearm and the exo-arm preferably comprise, to maintain the user's arm attached to the exoskeleton, a shaped grid of semi-cylinder, some cushions and some fixations by elastic bands to hold the assembly and distribute the pressure Throughout the arm.

La estructura de cinemática paralela del hombro puede comprender un cable de tracción hacia abajo, encargado de forzar el movimiento del brazo hacia abajo, que se divide en una pluralidad de tendones para equilibrar el movimiento y obtener puntos de anclaje sobre el soporte base desplazados lateralmente.The parallel kinematic structure of the shoulder It can comprise a pull-down cable, responsible for force the arm movement down, which is divided into a plurality of tendons to balance movement and obtain anchor points on the displaced base support sideways.

       \global\parskip1.000000\baselineskip\ global \ parskip1.000000 \ baselineskip

En una realización preferida a estructura de cinemática paralela del hombro comprende:In a preferred embodiment to structure of parallel shoulder kinematics includes:

- un cable de tracción encargado de actuar sobre el brazo desde la parte delantera para forzar el movimiento del brazo hacia adelante, y- a traction cable responsible for acting on the arm from the front to force the movement of the forward arm, and

- un muelle anclado por detrás del brazo a la espalda de los medios portadores, para forzar el movimiento del brazo hacia atrás.- a spring anchored behind the arm to the back of the carrier means, to force the movement of the arm back.

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip

En otra realización la estructura de cinemática paralela del hombro comprende:In another embodiment the kinematic structure parallel shoulder includes:

- un cable de tracción encargado de actuar sobre el brazo desde la parte trasera para forzar el movimiento del brazo hacia atrás, y- a traction cable responsible for acting on the arm from the back to force arm movement backwards, and

- un muelle anclado por delante del brazo a los medios portadores para forzar el movimiento del brazo hacia adelante.- a spring anchored in front of the arm at carrier means to force arm movement towards ahead.

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip

La rotación del brazo en el hombro se puede efectuar mediante una cualquiera de las siguientes formas:The rotation of the arm on the shoulder can be carry out in any of the following ways:

- mediante dos cables que trabajan en oposición;- using two cables that work in opposition;

- mediante un cable y un muelle.- using a cable and a spring.

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip

La rotación de la muñeca se puede efectuar también mediante una cualquiera de las siguientes formas:The wrist rotation can be done also by any one of the following ways:

- mediante dos cables de tracción;- by two traction cables;

- mediante un cable de tracción y un muelle.- using a traction cable and a spring.

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip

La rotación del codo se puede efectuar mediante una cualquiera de las siguientes formas:Elbow rotation can be done by any one of the following ways:

- mediante dos cables de tracción trabajando en oposición;- using two traction cables working on opposition;

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip

La articulación del codo comprende preferentemente:The elbow joint comprises preferably:

- dos piezas móviles con un eje de giro común, la primera pieza móvil formando parte del exo-antebrazo y la segunda pieza móvil del exo-brazo;- two moving parts with a common axis of rotation, the first moving part forming part of the exo-forearm and the second moving part of the exo-arm;

- unos topes para evitar que el codo pueda girar hacia atrás más allá de una posición límite;- some stops to prevent the elbow from turning backward beyond a boundary position;

- una polea, unida solidariamente a la primera pieza móvil, que permite el accionamiento de la articulación del codo a través de dos cables de tracción.- a pulley, jointly and severally attached to the first moving part, which allows the actuation of the articulation of the elbow through two traction cables.

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip

El exoesqueleto puede comprender:The exoskeleton may comprise:

- un encoder ubicado en la polea para determinar el ángulo que relaciona la posición de la primera pieza móvil respecto a la segunda pieza móvil;- an encoder located on the pulley to determine the angle that relates the position of the first moving part with respect to the second moving part;

- un sensor inercial en el exo-brazo para determinar su inclinación;- an inertial sensor in the exo-arm to determine its inclination;

- un sensor inercial en el exo-antebrazo para, junto con la información del encoder de la polea, determinar la posición del exo-antebrazo.- an inertial sensor in the exo-forearm for, along with information from pulley encoder, determine the position of the exo-forearm

- un sensor inercial sobre la hombrera de los medios portadores para determinar la posición relativa del brazo respecto al cuerpo del usuario.- an inertial sensor on the shoulder of the carrier means for determining the relative position of the arm Regarding the user's body.

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Los medios portadores comprenden preferiblemente un chaleco, y pueden comprender adicionalmente una mochila.The carrier means preferably comprise a vest, and can additionally comprise a backpack.

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Los actuadores de potencia se pueden seleccionar de entre los siguientes: actuadores lineales, actuadores rotacionales o una combinación de los anteriores. En una realización preferida, los actuadores de potencia rotacionales ejercen su tracción sobre el cable mediante una polea con un surco helicoidal que permite conducir el cable en su recogida.The power actuators can be selected from among the following: linear actuators, actuators Rotational or a combination of the above. In one embodiment preferred, rotational power actuators exert their traction on the cable by means of a pulley with a helical groove which allows to drive the cable in its collection.

El exoesqueleto puede comprender también una pluralidad de dedales de sensores externos ubicados en el propio exoesqueleto para activar los actuadores de potencia y así comandar los movimientos del mismo. Cada dedal de sensores externo comprende preferentemente un conjunto de cinco sensores incluidos en el interior (98) de un dedal. Los dedales de sensores externos se pueden disponer en pares de dedales con funciones opuestas.The exoskeleton may also comprise a plurality of external sensor thimbles located on the own exoskeleton to activate the power actuators and thus command the movements of it. Each external sensor thimble comprises preferably a set of five sensors included in the inside (98) of a thimble. External sensor thimbles are they can be arranged in pairs of thimbles with opposite functions.

El exoesqueleto puede disponer de medios de almacenamiento de datos, medios de entrada para selección de un modo de funcionamiento del exoesqueleto y de una unidad de control configurada para, en función de dicha selección, seleccionar uno de los siguientes modos de funcionamiento del exoesqueleto:The exoskeleton may have means of data storage, input media for mode selection of operation of the exoskeleton and a control unit configured to, depending on that selection, select one of The following modes of operation of the exoskeleton:

- modo de grabación de trayectorias, para registrar los movimientos realizados por el exoesqueleto en los medios de almacenamiento de datos;- trajectory recording mode, for record the movements made by the exoskeleton in the data storage media;

- modo de seguimiento de trayectoria grabada, para seleccionar una trayectoria deseada, previamente grabada en los medios de almacenamiento de datos, y repetir dicha trayectoria de manera automática o permitir que el usuario intente seguirla y corregirle cuando se salga de ella;- recorded path tracking mode, to select a desired path, previously recorded in the data storage means, and repeat said trajectory of automatically or allow the user to try to follow it and correct you when you leave it;

- modo de seguimiento de sensores externos, para permitir el control del movimiento del exoesqueleto a través de los sensores externos.- external sensor tracking mode, for allow control of exoskeleton movement through the external sensors

Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings

A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.Then it goes on to describe very brief a series of drawings that help to better understand the invention and that expressly relate to an embodiment of said invention presented as a non-limiting example of is.

Figura 1: Vista frontal general del exoesqueleto.Figure 1: General front view of the exoskeleton.

Figuras 2A y 2B: Vista posterior del exesqueleto.Figures 2A and 2B: Rear view of the Exeskeleton

Figura 3: Modo de realización del exoesqueleto sin muelle superior y con una mochila que soporta la electrónica y los actuadores.Figure 3: Exoskeleton embodiment without top spring and with a backpack that supports electronics and the actuators

Figura 4: Modo de realización del exoesqueleto en el que los actuadores son lineales y están integrados en el chaleco.Figure 4: Exoskeleton embodiment in which the actuators are linear and integrated into the vest.

Figura 5: Detalles de las partes y articulaciones que componen el brazo exoesquelético, que se coloca sobre el brazo del usuario.Figure 5: Details of the parts and joints that make up the exoskeletal arm, which is placed on the user's arm.

Figuras 6A, 6B y 6C: Estructura del hombro basada en una estructura de muelles y cables de cinemática paralela.Figures 6A, 6B and 6C: Shoulder structure based on a kinematic spring and cable structure parallel.

Figura 7: Esquema simplificado de la estructura del hombro, de cinemática paralela.Figure 7: Simplified structure scheme of the shoulder, of parallel kinematics.

Figura 8: Detalle del mecanismo de rotación de la exo-muñeca.Figure 8: Detail of the rotation mechanism of The exo-doll.

Figura 9: Detalle de la estructura que permite la rotación del hombro, soporta el brazo y facilita el anclaje de este al chaleco.Figure 9: Detail of the structure that allows Shoulder rotation, supports the arm and facilitates the anchoring of this to the vest.

Figura 10: Explosión de componentes del mecanismo de rotación del hombro.Figure 10: Explosion of components of the shoulder rotation mechanism.

Figura 11: Detalle de la polea helicoidal usada por los actuadores rotatorios.Figure 11: Detail of the used pulley by rotary actuators.

Figura 12: Exoesqueleto cubierto por la ropa exterior, con lo cual no es apreciable el detalle de los mecanismos.Figure 12: Exoskeleton covered by clothing exterior, with which the detail of the mechanisms

Figuras 13 y 14: Explosión del exoesqueleto robotizado vestible completo.Figures 13 and 14: Explosion of the exoskeleton Full wearable robotic.

Figura 15: Terapeuta moviendo el exo-brazo mediante presión sobre los sensores externos situados en el exo-antebrazo.Figure 15: Therapist moving the exo-arm by pressure on the sensors external located in the exo-forearm.

Figura 16: Terapeuta moviendo el exo-brazo mediante presión sobre los sensores externos situados en el exo-brazo y el exo-antebrazo.Figure 16: Therapist moving the exo-arm by pressure on the sensors external located on the exo-arm and the exo-forearm

Figura 17: Bloque de cinco sensores externos de presión incorporados al dedal de control.Figure 17: Block of five external sensors of pressure incorporated into the control thimble.

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Figura 18: Disco de ajuste de la carga colocado sobre el soporte del exo-brazo para regular el peso que el usuario puede cargar.Figure 18: Load adjustment disc placed on the exo-arm support to regulate the weight that the user can load.

Figura 19: Vista general del brazo del exo-esqueleto con los dedales de sensores externos colocados en el exo-antebrazo y el disco de ajuste de carga en el soporte del exo-brazo.Figure 19: General view of the arm of the exo-skeleton with external sensor thimbles placed on the exo-forearm and adjustment disc load on the exo-arm support.

Figura 20: Esquema de funcionamiento del exoesqueleto.Figure 20: Scheme of operation of the exoskeleton.

Descripción detallada de la invenciónDetailed description of the invention

El exoesqueleto robotizado vestible, tiene una configuración y apariencia similar a una prenda de vestir, con el propósito de que se adapte de manera natural y ergonómica a las posturas y movimiento de la persona que lo utiliza, de manera que además de servir para dotar a la persona de un complemento y ayuda al movimiento, no llame la atención y resulte más aceptable en su entorno social y en su percepción personal. El conjunto de la invención está compuesto por unas partes claramente diferenciables y funcionales, mostradas en las Figuras 1 a 4, que se relacionan a continuación:The wearable robotic exoskeleton has a configuration and appearance similar to a garment, with the purpose of adapting naturally and ergonomically to the postures and movement of the person using it, so that In addition to serving to provide the person with a complement and help to the movement, do not attract attention and be more acceptable in your social environment and personal perception. The whole of the invention is composed of clearly differentiable parts and functional, shown in Figures 1 to 4, which relate to continuation:

1. one.: Un arnés o chaleco (8) debidamente almohadillado que se viste sobre el cuerpo, cuya funcionalidad es la de servir de base a los sistemas de control y potencia (1), fuente de potencia (9), así como a los anclajes (36') de los exo-brazos (2) y (3) articulados robotizados.A properly padded harness or vest (8) that dresses on the body, whose functionality is to serve as the basis to the control and power systems (1), power source (9), as well as to the anchors (36 ') of the exo-arms (2) and (3) robotic articulated.

2. 2.: Un sistema de eslabones articulados motorizados, a los que denominaremos exo-brazos (2) y (3), por ser calzados sobre el exterior del brazo(s) humano, con sujeciones convenientemente localizadas sobre cada articulación del brazo del usuario y que sirven para transmitir la fuerza del mecanismo robótico que ayuda al movimiento.A system of motorized articulated links, to what we will call exo-arms (2) and (3), for being footwear on the outside of the human arm (s), with fasteners conveniently located on each joint of the user's arm and they serve to transmit the force of the robotic mechanism that helps movement.

3. 3.: Un conjunto de accionamientos de potencia, formado por actuadores (6, 206) y sistemas de transmisión de potencia a distancia basados en cables de acero ultraflexibles (11) y (13), puntos de anclaje (17) y (66) y sistemas de compensación cinetoestático (4) y (5) para optimizar el gasto de potencia que requiere el sistema.A set of power drives, formed by actuators (6, 206) and power transmission systems to distance based on ultra-flexible steel cables (11) and (13), anchor points (17) and (66) and compensation systems kinetostatic (4) and (5) to optimize the power consumption that Requires the system.

4. Four.: Un sistema de alimentación de potencia autónomo (9), que puede ser alimentado también por conexión a la red eléctrica.An autonomous power supply system (9), which can also be powered by network connection electric

5. 5.: Un sistema de control de potencia y del movimiento (1) basado en computador, en el que residen los algoritmos que implementan procedimientos adecuados al tipo de usuario y actividad que debe realizar.A power and movement control system (1) computer-based, in which the algorithms that implement procedures appropriate to the type of user and activity What to do

6. 6.: Un conjunto de sensores de presión (100 a 103), representados en la Figura 19, que permiten actuar sobre el exo-esqueleto y sensores inerciales de tipo IMU (112), (113) y (114) que permiten conocer su posición y movimiento.A set of pressure sensors (100 to 103), represented in Figure 19, which allow acting on the exo-skeleton and inertial sensors of IMU type (112), (113) and (114) that allow you to know your position and movement.

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El aparejo con forma de chaleco (8), está constituido por unas capas de material flexible y ligero para la protección del cuerpo, recubierto por un tejido exterior (72), Figura 12, que da la apariencia agradable y sujeción para las partes que lo componen. En algunas áreas de la cara exterior del chaleco se han incorporado piezas plásticas semirrígidas que proporcionan puntos de apoyo para los elementos que deben colocarse sobre él, como los muelles de compensación (4) o anclajes de cables (65). Estas piezas semirrígidas contribuyen a distribuir los esfuerzos o fuerzas puntuales sobre una superficie y junto con el almohadillado hacen que el usuario no note prácticamente las presiones provocadas por el movimiento del brazo exo-esquelético (2) y (3). La cubierta exterior (72) recubre el mecanismo y con las debidas adaptaciones puede ser asimilada a una de las prendas de vestir de uso diario. El sistema exo-exqueleto al ser accionado por cables tiene la particularidad de permitir que la transmisión de fuerza a cada articulación sea fácilmente integrada bajo la cubierta exterior.The vest-shaped rig (8), is constituted by layers of flexible and lightweight material for the body protection, covered by an outer fabric (72), Figure 12, which gives the pleasant appearance and support for the parts That composes. In some areas of the outer face of the vest have incorporated semi-rigid plastic parts that provide support points for the elements that must be placed on it, such as compensation springs (4) or cable anchors (65). These semi-rigid pieces contribute to distribute the efforts or punctual forces on a surface and together with the padding make the user practically not notice the pressures caused by the movement of the exo-skeletal arm (2) and (3). The outer cover (72) covers the mechanism and with the due adaptations can be assimilated to one of the garments of Dress daily. The exo-exkeleton system at being operated by cables has the peculiarity of allowing the Force transmission to each joint is easily integrated under the outer cover.

El brazo exo-esquelético es un elemento que se acopla sobre el brazo del paciente fijándolo al mismo y haciendo coincidir las articulaciones equivalentes de ambos (muñeca, codo, hombro). Para conseguir el movimiento de cada articulación la fuerza del actuador de potencia se transmite mediante cables (18), (60), (61), (62), (63), (64) y (70) que van enfundados durante parte de su recorrido consiguiendo así un punto de apoyo para el emplazamiento del motor y otro en la articulación, pudiendo realizar en medio cualquier recorrido que sea necesario para adaptarse a la pose del brazo.The exo-skeletal arm is a element that fits over the patient's arm by attaching it to the same and matching the equivalent joints of both (wrist, elbow, shoulder). To get the movement of each articulation the force of the power actuator is transmitted by cables (18), (60), (61), (62), (63), (64) and (70) sheathed during part of its journey thus getting a point of support for the location of the engine and another in the joint, being able to make in the middle any route that is necessary to adapt to the pose of the arm.

El brazo exo-esquelético, mostrado en la Figura 5, está formado por varios elementos:Exo-skeletal arm, shown in Figure 5, it consists of several elements:

--: Exo-Muñeca: Es un elemento formado por tres anillos (21), (22) y (23), tal y como se muestra en detalle en la Figura 8. El anillo central (22) tiene forma de polea para guiar el cable tractor (56) y puede rotar sobre su eje ayudando a girar la muñeca del paciente, en sentido horario o antihorario.Exo-Doll: It's a element formed by three rings (21), (22) and (23), as shown in detail in Figure 8. The center ring (22) has Pulley shape to guide the tractor cable (56) and can rotate on its axis helping to rotate the patient's wrist, clockwise or counterclockwise

--: Exo-Antebrazo (3): Es una rejilla con forma de semicilindro que se acopla al antebrazo del paciente. Está unida por un lado a la exo-muñeca y por el otro extremo al exo-brazo (2).Exo-Forearm (3): It is a semi-cylinder shaped grid that attaches to the forearm of the patient. It is attached on the one hand to the exo-wrist and on the other end to the exo-arm (2).

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--: Exo-Brazo (2): es otra rejilla con forma de semicilindro que se acopla al brazo del paciente y que se une:Exo-Arm (2): is another semi-cylinder shaped grid that attaches to the arm of the patient and joining:

\circ\ circ: Al exo-antebrazo (3) mediante una articulación móvil (15) de un grado de libertad, proporcionando movilidad al codo.To the exo-forearm (3) by a mobile joint (15) of a degree of freedom, providing mobility to the elbow.

\circ\ circ: A un soporte de brazo (33) mediante una articulación rotacional que comparte eje de giro con el exo-brazo (2).To an arm support (33) through a rotational joint that shares the axis of rotation with the exo-arm (2).

--: Soporte de brazo 33: es una pieza anular que permite el giro del exo-brazo (2) en su interior y se une al chaleco (8) mediante una estructura de cinemática paralela y un sistema de compensación cinetoestático que se describe posteriormente.Arm support 33: it is an annular piece which allows the exo-arm (2) to rotate inside and joins the vest (8) through a kinematic structure parallel and a kinetostatic compensation system described later.

--: Estructura de cinemática paralela del hombro: Se forma una estructura paralela mediante cables alrededor de la unión del hombro y el brazo. Esta estructura cableada entre el soporte de brazo (33) y el chaleco (8) proporciona la movilidad del brazo con respecto al hombro. La estructura la forman un anillo (33) alrededor del brazo que hemos llamado "soporte de brazo" y otro anillo ficticio formado por hombrera (46) y costado del chaleco (45), la parte del chaleco que une los puntos de anclaje de los cables a éste (Figuras 6A, 6B y 6C). Las "patas" de la estructura paralela serían los muelles (4), (5) y (12) y los cables (11) y (13), ver Figura 7, que unen los anillos y el propio brazo del usuario (48) que actúa como una pata adicional de longitud fija, terminada en una junta universal que se desplaza en vertical y horizontal. La fijación de cables en la base móvil (33) se puede hacer de muchas maneras, pero algunas favorecen que la potencia tractora sea mayor desde todos los ángulos (Figuras 6B y 6C). Si el punto de anclaje (130) de los tendones del cable inferior (13) es el indicado en la Figura 6A, funcionará mejor en posiciones del brazo elevadas o a media altura (el anclaje sobresale más de la vertical formada por el eje de giro del hombro (47) y el punto de tracción en el costado (79)) que en posiciones más bajas. Esto se compensa por el hecho de que en posiciones bajas los muelles (4) se acercan también a la vertical y reducen la compensación del peso del brazo. El anclaje (130) de los cables se puede hacer de muchas formas. Por ejemplo, por la parte externa o superior de la base móvil a media altura (Figura 6B). Esto hace que en posiciones del brazo elevadas o medias nos encontremos en las mismas condiciones de antes. En cambio, en posiciones bajas del brazo los cables se separan de la plataforma móvil, manteniéndose anclados a ella por un punto (130) que está más separado de la vertical que forman el eje de giro del hombro y el punto de tracción en el costado. Esto mejora la capacidad de los motores de hacer tracción en posiciones bajas del brazo. Aun se puede mejorar la tracción en zonas bajas, si los puntos de anclaje (130) mencionados se elevan sobre la superficie de la base móvil.(Figura 6C). Esta elevación se puede realizar de muchas formas. Cualquier saliente que proporcione un punto de apoyo elevado, sin o con refuerzos para dar mayor resistencia, en forma de un cuarto de rueda con un surco para guiar el cable y mantener siempre un punto de tracción bien separado del eje mencionado, con forma poligonal para regular la separación de la vertical por tramos, etc. El mismo razonamiento podría aplicarse al otro cable (11) que actúa la plataforma móvil (33), y soluciones similares serían también válidas en el mismo sentido.Parallel kinematics structure of Shoulder: A parallel structure is formed by wires around of the shoulder and arm junction. This wired structure between the arm support (33) and vest (8) provides mobility of the arm with respect to the shoulder. The structure is formed by a ring (33) around the arm that we have called "arm support" and other dummy ring formed by shoulder strap (46) and side of the vest (45), the part of the vest that joins the anchor points of the cables to it (Figures 6A, 6B and 6C). The "legs" of the parallel structure would be the springs (4), (5) and (12) and the cables (11) and (13), see Figure 7, which join the rings and the arm itself of the user (48) acting as an additional leg of fixed length, finished in a universal joint that moves vertically and horizontal. Cable fixing on the mobile base (33) can be do in many ways, but some favor the power tractor unit is larger from all angles (Figures 6B and 6C). If he anchor point (130) of the lower cable tendons (13) is the indicated in Figure 6A, it will work best in arm positions raised or mid-rise (the anchor protrudes more than the vertical formed by the axis of rotation of the shoulder (47) and the point of traction in the side (79)) than in lower positions. This is compensated by the fact that in low positions the springs (4) approach also to the vertical and reduce the weight compensation of the arm. The anchoring (130) of the cables can be done in many ways. By for example, on the outer or upper part of the mobile base on average height (Figure 6B). This causes that in elevated arm positions or We are in the same conditions as before. In change, at low arm positions the cables are separated from the mobile platform, staying anchored to it by a point (130) which is more separated from the vertical that form the axis of rotation of the shoulder and the point of traction on the side. This improves the ability of the motors to make traction in low positions of the arm. You can still improve traction in low areas, if mentioned anchor points (130) rise above the surface of the mobile base (Figure 6C). This elevation can be done from many ways. Any projection that provides a foothold elevated, without or with reinforcements to give greater resistance, in the form of a quarter of a wheel with a groove to guide the cable and keep always a point of traction well separated from the mentioned axis, with polygonal shape to regulate vertical separation by sections, etc. The same reasoning could be applied to the other cable (11) operating the mobile platform (33), and similar solutions they would also be valid in the same sense.

--: Sistema de compensación de gravedad: Mediante una o varias uniones entre el soporte de brazo (33) y el chaleco (8), los muelles (4) y (5) aportan puntos de apoyo, de referencia y la compensación cinetoestática. De este modo el peso del brazo es soportado en gran medida por los muelles, reduciendo la carga que han de soportar los actuadores de potencia.Gravity Compensation System: By one or more joints between the arm support (33) and the vest (8), the springs (4) and (5) provide support points, of reference and kinetostatic compensation. In this way the weight of the arm is largely supported by the springs, reducing the load to be supported by power actuators.

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El "Sistema de compensación cinetoestático" se compone de:The "Kinetostatic Compensation System" It consists of:

--: Un par de amortiguadores inferiores (4) que soporten el brazo por delante y por detrás del mismo, apoyándose en dos puntos más bajos situados en el chaleco (8). El recorrido de los amortiguadores debe permitir el movimiento del brazo desde posiciones de brazo alzado a brazo abajo y con posibilidad de recorrer el rango normal de movimiento del brazo que corresponde a algo más de un cuarto de esfera cortada verticalmente.A pair of lower shock absorbers (4) that support the arm in front and behind it, leaning on two lower points located in the vest (8). The travel of the shock absorbers must allow arm movement from raised arm to down arm positions and with the possibility of traveling the normal range of motion of the arm that corresponds to just over a quarter of a cut sphere vertically

--: Un muelle superior (5) anclado, en vertical cerca del hombro, a la mochila (10) o al propio chaleco (8), ver Figura 1 (vista frontal del exoesqueleto), y unido por el otro extremo al exo-brazo (2). En reposo el muelle mantendrá el exo-brazo (2) vertical, compensando el peso del brazo. Para bajar el brazo un actuador tirará hacia abajo mediante el haz de cables (13), ver Figura 2B donde se representa una vista posterior del exoesqueleto con los actuadores, cables, electrónica y alimentación. Así se puede desplazar el brazo por el área de trabajo con una mínima aportación de energía. El actuador que controla este movimiento lo hace mediante la polea (80) que recoge el cable (67) y (13) que va enfundado entre los topes (66) y (79).A upper spring (5) anchored, vertically near the shoulder, to the backpack (10) or to the vest itself (8), see Figure 1 (front view of the exoskeleton), and attached at the other end to the exo-arm (2). At rest the dock will keep the exo-arm (2) vertical, compensating the weight of the arm. To lower the arm an actuator will pull down by the cable harness (13), see Figure 2B where a view is represented rear of the exoskeleton with actuators, cables, electronics and feeding. So you can move your arm around the work area with a minimum contribution of energy. The actuator that controls this movement is done by the pulley (80) that picks up the cable (67) and (13) which is wrapped between the stops (66) and (79).

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Algunos de los elementos anteriores podrían ser suprimidos y el sistema seguiría siendo funcional. Si se elimina el muelle superior (5), la carga deberá repartirse entre los dos amortiguadores inferiores (4) y viceversa. La eliminación de un elemento reduce peso y volumen en el área donde va ubicado.Some of the above elements could be suppressed and the system would remain functional. If the upper spring (5), the load must be divided between the two lower shock absorbers (4) and vice versa. The removal of a element reduces weight and volume in the area where it is located.

Si se suprimen los amortiguadores inferiores (4) no habrá obstáculos debajo del brazo lo que facilita el movimiento. Además, por su naturaleza "elástica en todas las direcciones" el muelle superior (5) permite conseguir un área de trabajo ligeramente mayor y efectividad como compensador de gravedad en muy diversas posturas (equivalente con el brazo adelantado o retrasado, a medio subir o a medio bajar).If lower shock absorbers are suppressed (4) there will be no obstacles under the arm which facilitates movement. In addition, by its nature "elastic in all directions" the upper spring (5) allows to achieve a work area slightly higher and effective as a gravity compensator in very various postures (equivalent with the arm advanced or delayed, half up or half down).

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En todos los casos hay que dimensionar el recorrido del componente pasivo (4) y (5) para cubrir el área de trabajo deseada y su rigidez para compensar adecuadamente el peso del brazo de modo que el esfuerzo a realizar por los actuadores de potencia sea mínimo en los dos sentidos de funcionamiento.In all cases, the passive component travel (4) and (5) to cover the area of desired work and its rigidity to adequately compensate for the weight of the arm so that the effort to be made by the actuators of power is minimal in both directions of operation.

El punto más complejo del exo-brazo (2) es el hombro. Hay varios elementos en este diseño que trabajando en conjunto resuelven el problema del cambio de centro de giro que provoca la movilidad del hombro. El chaleco (8) acompaña el movimiento del hombro desplazando los puntos de anclaje del brazo. Por otro lado el exo-brazo (2) va unido solidariamente al brazo del usuario, en lugar de acompañar su movimiento de cerca, como otros modelos. Esto se consigue debido a su forma de semicilindro que recoge el brazo, los acolchamientos que lo acomodan, ajustan y protegen y las fijaciones mediante bandas elásticas que lo aseguran distribuyendo la presión por todo el brazo. Este punto es clave, pues si el robot se desplaza respecto al brazo se perdería la condición de acompañamiento al centro de giro (47). La unión del exo-brazo (2) al chaleco (8) mediante cables y muelles permite que el robot se adapte a los movimientos del brazo en todo su espacio de trabajo.The most complex point of Exo-arm (2) is the shoulder. There are several elements in this design that working together solve the problem of change of center of rotation that causes shoulder mobility. He vest (8) accompanies shoulder movement by moving the points Anchoring arm. On the other hand the exo-arm (2) is jointly and severally attached to the user's arm, instead of accompanying its movement closely, like other models. This is achieved due to its semi-cylinder shape that picks up the arm, the padding that accommodate, adjust and protect and fixations using bands elastic that ensure distributing the pressure throughout the arm. This point is key, because if the robot moves with respect to the arm would lose the condition of accompaniment to the center of rotation (47). The connection of the exo-arm (2) to the vest (8) using cables and springs allows the robot to adapt to the arm movements throughout your workspace.

El conjunto de accionamientos de potencia comprende los actuadores de potencia, lineales (206) y/o rotacionales (6), que aportan la tracción, un sistema de cables ultraflexibles que transmiten la fuerza y unos muelles que permiten el retorno a la posición de reposo y compensan el peso de los elementos móviles. Además hay unos puntos de transición (17, 66) de cable desnudo a cubierto que permiten la transmisión de fuerza entre puntos separados independientemente de su posición.The set of power drives comprises the power actuators, linear (206) and / or rotational (6), which provide traction, a cable system ultraflexibles that transmit the force and springs that allow return to rest position and compensate for the weight of moving elements There are also transition points (17, 66) of bare to covered cable that allows the transmission of force between separate points regardless of position.

En el movimiento de elevación/descenso del brazo se podría emplear, por ejemplo, un cable que tirase por arriba ligado a un motor y otro por debajo ligado a otro motor. Sin embargo, la solución más eficiente es un muelle o conjunto de ellos (4, 5) que aporte el empuje vertical suficiente para levantar el brazo por sí mismo y un cable (13) anclado inferiormente que lo haga descender. Por tanto, el brazo sube empujado por los muelles (4, 5) y baja por la tracción del cable que contrarresta el empuje de los muelles. El control de la posición del brazo se consigue regulando la cantidad de cable que se libera en cada momento por medio de un motor. Se evita así la tracción superior mediante cable o actuador desde el hombro que presenta numerosos problemas:In the movement of raising / lowering the arm you could use, for example, a cable that pulls up linked to one engine and another below linked to another engine. Without However, the most efficient solution is a spring or set of them (4, 5) that provides enough vertical thrust to lift the arm by itself and a cable (13) anchored inferiorly to do so descend. Therefore, the arm goes up pushed by the springs (4, 5) and down by the traction of the cable that counteracts the thrust of the docks Control of arm position is achieved by regulating the amount of cable that is released at any time by means of a engine. Superior traction is thus avoided by cable or actuator from the shoulder that presents numerous problems:

--: Requiere un punto de apoyo que sobresale notablemente del hombro cuando el brazo está relajado para poder levantarlo. Cuando el brazo se eleva el punto de apoyo limita el recorrido del brazo.Requires a protruding fulcrum noticeably from the shoulder when the arm is relaxed to be able to lift it up. When the arm rises the foothold limits the arm travel

--: Exige que los tirantes del chaleco estén muy reforzados, a menudo con cintos de sujeción adicionales para poder servir como punto de tracción. La alternativa es darles mucha rigidez que resulta incómoda al usuario.Requires that the vest braces are very reinforced, often with additional fastening straps to serve as a point of traction. The alternative is to give them a lot of rigidity that results uncomfortable to the user.

--: Requiere actuadores muy potentes, pesados y voluminosos.It requires very powerful actuators, heavy and bulky.

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Además el cable de tracción hacia abajo (13) se divide en dos (aunque pueden ser más) tendones, como se aprecia en la Figura 6, que permiten equilibrar el movimiento en cualquier posición y tomar puntos de anclaje desplazados lateralmente y más salientes, de modo que la tracción resulte eficaz cuando el brazo está muy elevado y no obstaculice el descenso de éste cuando se encuentra en posiciones muy bajas.In addition, the pull-down cable (13) is divide into two (although there may be more) tendons, as seen in Figure 6, which allow to balance the movement in any position and take laterally shifted anchor points and more projections, so that traction is effective when the arm It is very high and does not hinder its descent when found in very low positions.

El movimiento hacia delante/detrás se consigue también con tracción por cable (11) desde la parte delantera (punto de anclaje 17) y retorno por muelle (12) anclado por detrás del brazo a la espalda del chaleco, aunque también se podrían situar en posición inversa: muelle (12) delante y cable (11) detrás. La opción de dos cables que trabajen en oposición con un solo actuador de potencia es complicada en el hombro, pues requeriría una alineación perfecta de los dos cables respecto al eje de giro del brazo respecto al hombro, que como ya se ha explicado se mueve constantemente de lugar. Las alternativas serían emplear la que se presenta aquí o la instalación de dos actuadores de potencia independientes y el control de la longitud de cable liberado en cada altura por cada actuador de potencia.Forward / backward movement is achieved also with cable pull (11) from the front (point anchor 17) and spring return (12) anchored behind the arm behind the back of the vest, although they could also be placed in reverse position: spring (12) in front and cable (11) behind. The option of two cables that work in opposition with a single actuator of power is complicated in the shoulder, as it would require alignment perfect of the two cables with respect to the axis of rotation of the arm with respect to the shoulder, which as explained above moves constantly place. The alternatives would be to use the one presents here or the installation of two power actuators independent and control of the cable length released in each height for each power actuator.

La rotación del brazo en el hombro se podría conseguir indistintamente mediante dos cables (60) y (61) que trabajen en oposición o mediante un cable (60) y un muelle.The rotation of the arm on the shoulder could be achieve interchangeably with two cables (60) and (61) that work in opposition or by means of a cable (60) and a spring.

En la articulación del codo es preferible la opción de dos cables (62) y (64) trabajando en oposición, pues la alternativa de un cable y un muelle obliga a sobredimensionar el motor. La razón es que en determinadas posturas el muelle compensa la gravedad y en otras se suma a ella dificultando la tarea del motor. Este efecto no ocurre en los casos tratados anteriormente debido a la naturaleza de las articulaciones, su posición y su recorrido.In the elbow joint, the option of two cables (62) and (64) working in opposition, as the alternative of a cable and a spring forces to oversize the engine. The reason is that in certain positions the spring compensates gravity and in others adds to it hindering the task of engine. This effect does not occur in previously treated cases. due to the nature of the joints, their position and their travel.

En la articulación de la muñeca, podría resultar indiferente utilizar doble cable o cable y muelle, pero dado que es el punto más alejado del hombro resulta preferible la solución de menor peso y complejidad, que es un cable (63) y un muelle (51).In the wrist joint, it could result indifferent use double cable or cable and dock, but since it is the furthest point from the shoulder is the solution of less weight and complexity, which is a cable (63) and a spring (51).

Los actuadores de potencia, gracias a la actuación por cable se pueden ubicar en cualquier punto para no ocupar demasiado espacio ni sobresalir. En la espalda no limitan el área de trabajo del brazo. También se pueden ocupar los costados por su parte inferior cerca de la espalda. El peso debe colocarse bajo para estabilizar el conjunto chaleco exo-esqueleto y pueden distribuirse de modo que equilibren el peso del exoesqueleto situándolos al lado opuesto, o pueden repartirse por la espalda si se requieren dos exo-brazos actuados.The power actuators, thanks to the Cable performance can be located at any point to not take up too much space or stand out. In the back they do not limit the arm work area. You can also occupy the sides by its lower part near the back. The weight should be placed under to stabilize the exo-skeleton vest set and can be distributed so that they balance the weight of the exoskeleton placing them on the opposite side, or they can be distributed in the back if two exo-actuated arms are required.

Los actuadores, los sistemas de alimentación de potencia y los sistemas de control se pueden ubicar también en una mochila (10). Esto permitiría al usuario descargar este peso de su espalda al sentarse. En general, la mochila aumentará el peso del conjunto.Actuators, power systems power and control systems can also be located in a backpack (10). This would allow the user to download this weight from their back when sitting. In general, the backpack will increase the weight of the set.

El sistema de control (1) por computador controla la ejecución de los movimientos mediante algoritmos adaptados a la aplicación que se le dé:The control system (1) per computer controls the execution of movements through algorithms adapted to the application given:

--: Rehabilitación: algoritmos para ejecutar los movimientos indicados por el médico o terapeuta.Rehabilitation: algorithms to execute the movements indicated by the doctor or therapist.

--: Deporte: algoritmos para ejecutar movimientos de entrenamiento.Sport: algorithms to execute training movements

--: Aprendizaje en cirugía: algoritmos para repetir los movimientos indicados por el profesor.Learning in surgery: algorithms for Repeat the movements indicated by the teacher.

--: Asistencia diaria: algoritmos para los movimientos de uso más frecuente en la vida diaria.Daily assistance: algorithms for movements most often used in daily life.

--: Asistencia de resistencia: algoritmos que permitan mantener una postura incomoda o agotadora durante largo tiempo con el mínimo esfuerzo. Por ejemplo, en el trabajo de taller, cambiando piezas que requieren tener los brazos elevados largo tiempo, o estar tumbado bajo un coche haciendo fuerza con los brazos levantados.Resistance assistance: algorithms that allow to maintain an uncomfortable or exhausting posture during long Time with minimal effort. For example, in the workshop work, changing parts that require having long raised arms time, or being lying under a car with strength with your arms raised

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Los algoritmos presentes en el computador pueden haber sido programados de varias formas:The algorithms present in the computer can have been programmed in several ways:

--: Desplazando externamente el brazo: El asistente (por ejemplo el médico, ver Figuras 15 y 16) toma el brazo o antebrazo del usuario con sus manos y ejecuta el movimiento. Para que el exoesqueleto responda a la acción del médico, este tendrá sus dedos apoyados en los sensores externos de presión (100 a 103) situados en el exo-brazo (2) y en el exo-antebrazo (3). Así el computador registra la trayectoria que deberá repetir después.Externally displacing the arm: The assistant (for example the doctor, see Figures 15 and 16) take the arm or forearm of the user with their hands and execute the movement. For that the exoskeleton responds to the action of the doctor, he will have his fingers resting on external pressure sensors (100 to 103) located in the exo-arm (2) and in the exo-forearm (3). Thus the computer records the trajectory to be repeated later.

--: Mediante un elemento externo. El asistente movería un joystick especial dotado de seis grados de libertad (3 de posición y 3 de orientación) con amplio recorrido, y el computador registraría la trayectoria de la mano para replicarla con la mano del paciente, moviendo para ello el brazo completo. También podría utilizarse como elemento externo otro exoesqueleto igual al que se presenta que el asistente movería para registrar el movimiento que el asistido debe realizar.Through an external element. He assistant would move a special joystick equipped with six degrees of freedom (3 position and 3 orientation) with extensive travel, and the computer would record the trajectory of the hand to replicate it with the patient's hand, moving the entire arm for this. Another exoskeleton could also be used as an external element same as it is presented that the assistant would move to register the movement that the assisted must perform.

--: Programación directa: En un ordenador externo se simula el movimiento y se genera el patrón de control para cargarlo en la memoria del computador del exoesqueleto.Direct programming: On a computer external movement is simulated and the control pattern is generated to load it into the computer memory of the exoskeleton.

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Sobre el exo-esqueleto hay sensores inerciales (113, 114) tipo IMU -ver Figura 2A- que informan de la posición, velocidad y aceleración del exo-brazo (2) y del exo-antebrazo (3), así como de su inclinación. Se podría haber situado uno solo en la plataforma móvil de la estructura paralela, pero la presencia de estos dos sensores, junto con la información del encoder de la articulación del codo proporcionan información redundante que permite mejorar la estimación de la posición empleando cualquier método de fusión sensorial tipo filtro de Kalman. Adicionalmente se coloca un sensor inercial IMU (112) sobre el hombro del chaleco. De este modo podemos conocer la posición relativa del brazo respecto al cuerpo del usuario que podría estar agachado, inclinado o tumbado para realizar distintos tipos de movimientos.About the exo-skeleton there are inertial sensors (113, 114) type IMU -see Figure 2A- that inform of the position, speed and acceleration of exo-arm (2) and exo-forearm (3), as well as its inclination. One could have been located only in the mobile platform of the parallel structure, but the presence of these two sensors, together with the encoder information of the elbow joint provide redundant information that allows to improve the position estimation using any Kalman filter type sensory fusion method. Additionally it Place an IMU inertial sensor (112) over the shoulder of the vest. From this way we can know the relative position of the arm with respect to User body that could be crouched, tilted or lying down to perform different types of movements.

Ejemplo 1Example 1 Modo de realización para rehabilitación de pacientes de ictusExecution mode for rehabilitation of patients ictus

El arnés o aparejo con forma de chaleco (8) es una pieza blanda y flexible que se coloca sobre el tronco del usuario, sirve de apoyo a otras partes y da estabilidad al sistema. Está compuesto por acolchamientos (20), elementos blandos que podrían ser espumas artificiales y materiales viscoelásticos, que acolchan el contacto con el cuerpo, algunos de los cuales están cubiertos por piezas rígidas sobre las que se apoyan otros componentes (4, 17, 18, 36'). El chaleco puede disponer de una cremallera (73) en la parte delantera que permite ponerse y quitarse el exoesqueleto con comodidad.The harness or rig-shaped vest (8) is a soft and flexible piece that is placed on the trunk of the user, supports other parties and gives stability to the system. It is composed of quilts (20), soft elements that they could be artificial foams and viscoelastic materials, which padding contact with the body, some of which are covered by rigid pieces on which others rest components (4, 17, 18, 36 '). The vest can have a Zip (73) in the front that allows to put on and take off The exoskeleton with comfort.

Sobre las piezas rígidas que conforman el exterior del chaleco se sitúan juntas universales (36') para la colocación de los amortiguadores (4) y los pasadores de tracción (17) en los que el cable pasa de estar desnudo (11, 13) a estar cubierto (18). En estos puntos se soporta el esfuerzo de tracción que permite desplazar el brazo. Tras los pasadores de tracción en general suele haber presas (65) que embridan el cable enfundado dirigiéndolo en su recorrido hacia los actuadores.On the rigid pieces that make up the outside of the vest are placed universal joints (36 ') for the placement of shock absorbers (4) and traction pins (17) in which the cable goes from being naked (11, 13) to being covered (18). At these points the tensile stress is supported which allows to move the arm. After the pull pins in There are usually dams (65) that flange the sheathed cable directing him on his way to the actuators.

Los actuadores de potencia (6,206) se encuentran acoplados en el propio traje ocultos en lugares discretos y que no molesten o acoplados en una mochila (10) en la espalda. El exo-brazo (2, 3) se une al chaleco mediante la articulación rotatoria del hombro (33) por diversos medios: cables de orientación (11, 13), amortiguadores de gas (4) y/o muelle compensador de gravedad (5) que desliza sobre el pasador (31) en función de la posición que adopte. El exo-brazo (2) se une al exo-antebrazo (3) en la articulación del codo (15). Al final del antebrazo (3) se encuentra la articulación de la muñeca (16).The power actuators (6,206) are located docked in the suit itself hidden in discrete places and not bother or docked in a backpack (10) on the back. He exo-arm (2, 3) joins the vest through the rotary shoulder joint (33) by various means: cables orientation (11, 13), gas dampers (4) and / or spring gravity compensator (5) sliding on pin (31) in depending on the position you adopt. The exo-arm (2) joins the exo-forearm (3) in the joint of the elbow (15). At the end of the forearm (3) is the joint of the wrist (16).

El exo-brazo (2) y el exo-antebrazo (3) son unas rejillas compuestas por tubos metálicos de aluminio (24), todos ellos recubiertos de una espuma artificial (110) flexible y aislante térmica. Los tubos encajan en unas piezas finales que dan forma de semi-cilindro al exo-brazo (2) y al exo-antebrazo (3). En ellas se acomoda el brazo del usuario. Una alternativa es envolver el brazo con una banda de material visco-elástico con el exterior de espuma hasta alcanzar el tamaño del exo-brazo y exo-antebrazo. La parte visco-elástica se acomoda a la forma del brazo y la de espuma acolcha de forma más uniforme garantizando que el brazo quede bien sujeto por la banda elástica exterior y no resbale por la estructura.The exo-arm (2) and the exo-forearm (3) are grilles composed of aluminum metal tubes (24), all of them covered with a flexible artificial foam (110) and thermal insulation. The pipes they fit into final pieces that shape semi-cylinder to exo-arm (2) and to exo-forearm (3). In them the arm of the Username. An alternative is to wrap the arm with a band of visco-elastic material with foam exterior until reaching the exo-arm size and exo-forearm The part visco-elastic adapts to the shape of the arm and the foam padding more evenly ensuring that the arm It is well secured by the outer elastic band and does not slide down the structure.

En la Figura 5 se puede distinguir la exo-muñeca (21, 22, 23) que está compuesta por dos anillos externos (21, 23) que se encuentran unidos mediante cilindros de aluminio (42) y encierran a otro anillo con forma de polea estrecha (22) que desliza en el interior de la estructura anterior. El sistema podría llevar rodamientos axiales o simplemente estar hecho de materiales que permitan un deslizamiento razonable.In Figure 5 you can distinguish the exo-doll (21, 22, 23) which is composed of two outer rings (21, 23) that are joined by aluminum cylinders (42) and enclose another ring shaped narrow pulley (22) that slides inside the structure previous. The system could carry axial bearings or simply be made of materials that allow a slip reasonable.

Como se muestra en la Figura 8, la polea está unida a un cable (56) del que tira un actuador (6) para obligarla a girar en un sentido. El retorno se consigue mediante un muelle (51) que la devuelve a su posición original cuando los actuadores van liberando el cable desnudo que se recoge en el carril de la polea (22). La polea central (22) dispone de un orificio (50) al que se sujeta un extremo del muelle de retorno (51). El otro extremo se ancla a la pieza exterior (23) en el saliente (52). La polea dispone también de un saliente (53) que obliga al muelle (51) a estirarse siguiendo un recorrido alejado de la muñeca del usuario.As shown in Figure 8, the pulley is attached to a cable (56) from which an actuator (6) pulls to force it to turn one way. The return is achieved by a spring (51) which returns it to its original position when the actuators go releasing the bare wire that is collected in the pulley rail (22). The central pulley (22) has a hole (50) to which hold one end of the return spring (51). The other end is anchor to the outer part (23) on the projection (52). The pulley has also of a projection (53) that forces the spring (51) to stretch following a distance away from the user's wrist.

El cable (56) de tracción, entra por el orificio (55) y pasa por el orificio (54) a un tubo cilíndrico hueco (24) que forma parte de la estructura del brazo y circula por él para llegar hasta los actuadores. En su recorrido interior va vestido por una funda que llega hasta el pasador de su actuador. Para ello circula por el tubo (24), sale por el punto (26) y entra de nuevo por (28), tal y como se muestra en la Figura 5, de este modo casi no soporta flexión y no hay un estiramiento significativo del cable enfundado (27) en la articulación del codo. Por otro lado no hay prácticamente cables visibles, no ocupan espacio adicional y todo el sistema resulta muy compacto en un volumen mínimo.The traction cable (56) enters through the hole (55) and passes through the hole (54) to a hollow cylindrical tube (24) that It is part of the structure of the arm and circulates through it to reach Even the actuators. In its interior route it is dressed by a cover that reaches the pin of your actuator. For it circulates through the tube (24), exit at point (26) and enter again through (28), as shown in Figure 5, in this way it almost does not support bending and there is no significant stretching of the sheathed cable (27) in the elbow joint. On the other hand there is practically no visible cables, do not take up additional space and the entire system It is very compact in a minimum volume.

El interior de la polea tiene una entrada que permite la entrada de la mano en una determinada orientación en que la apertura es más amplia. Una vez se ha introducido la mano se colocan sobre los rebordes (53) unos acolchamientos de espuma elastomérica en forma de media luna con rebordes que acomodan la muñeca y permiten actuar con suavidad sobre ella, sin forzarla ni dañarla.The inside of the pulley has an entrance that allows the entry of the hand in a certain orientation in which The opening is wider. Once the hand has been introduced it place foam padding on the flanges (53) half moon shaped elastomer with flanges that accommodate the wrist and allow you to act gently on it, without forcing it or damage it.

La articulación del codo (Figura 5) está formada por dos piezas móviles (26, 29) unidas por un eje de giro común (39). La primera pieza móvil (26) forma parte del exo-antebrazo (3) y la segunda pieza móvil (29) del exo-brazo (2). Ambas disponen de unos topes (43) que evitan que el codo pueda girar hacia atrás y causar lesiones al usuario. En esta articulación aparece también una polea (40), unida solidariamente a la primera pieza móvil (26) que permite el accionamiento de esta articulación. Hay un cable desnudo anclado a la polea que la recorre hasta llegar a la entrada situada en (38). A partir de este punto el cable circula enfundado (37) hasta el actuador. A la salida de la articulación del hombro ambos cables enfundados (27, 37) se recogen en un único haz que va hacia los actuadores.The elbow joint (Figure 5) is formed by two moving parts (26, 29) joined by a common axis of rotation (39). The first moving part (26) is part of the exo-forearm (3) and the second moving part (29) of the exo-arm (2). Both have some stops (43) that prevent the elbow from turning back and causing injury to the Username. In this joint also appears a pulley (40), joined in solidarity with the first moving part (26) that allows the actuation of this joint. There is a bare cable anchored to the pulley that runs through it until it reaches the entrance located at (38). TO from this point the cable runs around (37) to the actuator At the exit of the shoulder joint both cables sheathed (27, 37) are collected in a single beam that goes to the actuators

En la polea (40) hay un encoder que permite saber el ángulo que relaciona la posición de la primera pieza móvil (26) respecto a la segunda pieza móvil (29). Adicionalmente hay un sensor inercial (114) en el exo-brazo (2) y otro sensor inercial (113) en el exo-antebrazo (3). El sensor inercial (114) del exo-brazo (2) informa de su inclinación. Con la información del encoder de la polea (40) se puede conocer la posición del exo-antebrazo (3), disponiendo además de la información de su sensor inercial (113), con lo que empleando EKF (filtro de Kalman extendido) se puede tener información más precisa y fiable. Adicionalmente se coloca un sensor inercial (112) sobre el hombro del chaleco. De este modo se puede conocer la posición relativa del brazo respecto al cuerpo del usuario que podría estar agachado o inclinado.In the pulley (40) there is an encoder that allows know the angle that relates the position of the first moving piece (26) with respect to the second moving part (29). Additionally there is a inertial sensor (114) in the exo-arm (2) and other inertial sensor (113) in the exo-forearm (3). He inertial sensor (114) of the exo-arm (2) reports its inclination. With the information of the pulley encoder (40) can know the position of the exo-forearm (3), also having the information of its inertial sensor (113), with what using EKF (extended Kalman filter) you can have more accurate and reliable information. Additionally a sensor is placed inertial (112) over the shoulder of the vest. This way you can know the relative position of the arm relative to the body of the user who could be crouched or inclined.

La articulación de rotación del hombro (Figuras 5, 9 y 10) está formada en esencia por las piezas (33, 34, 35). La pieza (33) es el punto de apoyo para el resto, pues está anclada al chaleco mediante los amortiguadores (4) y/o a la mochila mediante el muelle superior (5). También se encuentra unida al chaleco mediante los cables de actuación.Shoulder rotation joint (Figures 5, 9 and 10) is essentially formed by the pieces (33, 34, 35). The piece (33) is the support point for the rest, as it is anchored to the vest using the shock absorbers (4) and / or the backpack using the upper spring (5). It is also attached to the vest by Actuation cables

Las piezas (34) y (35) se encuentran a ambos lados de la pieza (33), unidas entre ellas mediante los tubos (44) que conforman el brazo. El conjunto (34, 35) desliza sobre la pieza (33) directamente o separándose de ella mediante rodamientos axiales. La pieza 34 tiene forma de polea. A ella van anclados dos cables desnudos que la recorren en oposición, de modo que se pueda accionar en ambos sentidos. Los cables se recogen en una pieza que queda oculta en la Figura 5 y que hace el paso de cable desnudo a cable enfundado para ir hacia los actuadores.Pieces (34) and (35) are both sides of the piece (33), joined together by the tubes (44) that make up the arm. The assembly (34, 35) slides on the piece (33) directly or separating from it by bearings axial. Piece 34 is shaped like a pulley. Two are anchored to it bare wires that run in opposition, so that you can operate both ways. The cables are collected in a piece that is hidden in Figure 5 and that makes the passage of bare wire to sheathed cable to go to the actuators.

El conjunto (30, 31, 32) es un apoyo para varios elementos del robot. El tubo (31) está unido rígidamente al soporte de rotación del hombro (33) y cumple la función de punto de anclaje del muelle superior (5) de compensación de gravedad. El muelle (5) se ancla sobre la pieza deslizante (32), dándole un margen de recorrido que permite al brazo adoptar las diferentes posturas sin que aparezcan bultos no deseados a causa de la deformación del muelle (5). También se puede observar el elemento (30) que es un tope que limita el recorrido del deslizador y evita que se salga de su guía.The set (30, 31, 32) is a support for several robot elements. The tube (31) is rigidly attached to the support Shoulder rotation (33) and fulfills the function of anchor point of the upper spring (5) for gravity compensation. The dock (5) it is anchored on the sliding piece (32), giving it a margin of route that allows the arm to adopt the different positions without unwanted lumps appear due to deformation of the spring (5). You can also see the element (30) which is a stop that limits the travel of the slider and prevents it from getting out of your guide.

La junta universal (36) permite el acoplo con los amortiguadores proporcionando compensación de la gravedad y un punto de referencia para el movimiento del resto del brazo.The universal joint (36) allows the coupling with the dampers providing gravity compensation and a reference point for movement of the rest of the arm.

Un diseño básico para resolver el problema del hombro podría consistir en una plataforma de cinemática paralela con cuatro cables que ejercen tracción para elevar el brazo, hacerlo descender, moverlo hacia delante o hacia detrás. En el presente diseño se eliminan dos de estos cuatro cables y se reemplazan por muelles. La tracción superior se elimina y queda sustituida por los muelles de gas (4) y el muelle superior (5). La tracción hacia detrás queda también reemplazada por un muelle (12).A basic design to solve the problem of shoulder could consist of a parallel kinematics platform with four cables that exert traction to raise the arm, do it descend, move it forward or backward. In the present design two of these four wires are removed and replaced by docks The upper traction is eliminated and replaced by the gas springs (4) and the upper spring (5). Traction towards behind it is also replaced by a spring (12).

La estructura paralela del hombro está formada por una base fija (45, 46) correspondiente al chaleco, una base móvil (33) de forma anular que corresponde al inicio del exo-brazo y las patas que las unen (4, 5, 11, 12, 13, 48). Todas ellas artificiales salvo la número 48.The parallel structure of the shoulder is formed by a fixed base (45, 46) corresponding to the vest, a base mobile (33) annularly corresponding to the beginning of the exo-arm and the legs that join them (4, 5, 11, 12, 13, 48). All of them artificial except the number 48.

La pata (48) es el húmero del usuario. El brazo encaja con el cuerpo de tal forma que su centro de rotación (47) se desplaza en vertical y en horizontal. Esta es la razón que hace necesaria una estructura especial para acompañar al brazo en su movimiento. Por la unión entre brazo y exo-brazo se puede considerar que el humero (48) es perpendicular en (49) al plano de la plataforma móvil (33).The leg (48) is the user's humerus. Arm fits the body in such a way that its center of rotation (47) is Scrolls vertically and horizontally. This is the reason it does a special structure is necessary to accompany the arm in its movement. By the union between arm and exo-arm is you can consider that the humerus (48) is perpendicular in (49) to plane of the mobile platform (33).

Los amortiguadores inferiores (4) aportan la fuerza necesaria para elevar el brazo. En el mismo sentido trabaja el muelle (5), aunque con matices. Al ser elementos elásticos no es un problema que el centro de rotación (47) se desplace. Con el cable (13) se controlará la elevación del brazo producida por los elementos elásticos (4, 5), regulando la cantidad de cable que se libera y también el descenso del mismo recogiendo el cable que sea necesario. Mientras tanto, los otros tres elementos antagonistas (4, 5) se acomodan a las variaciones de posición del centro de rotación (47).The lower shock absorbers (4) provide the force necessary to raise the arm. In the same way it works the pier (5), although with nuances. Being elastic elements is not a problem that the center of rotation (47) moves. With the cable (13) the elevation of the arm produced by the elastic elements (4, 5), regulating the amount of cable that is releases and also the descent of it collecting the cable that is necessary. Meanwhile, the other three antagonistic elements (4, 5) accommodate the variations of position of the center of rotation (47).

El cable (11) controla la posición del brazo en el eje horizontal regulando avance y retroceso. Trabaja en oposición al muelle (12). También en este eje hay desplazamiento del centro de rotación (47), pero nuevamente la presencia de elementos elásticos (12) permite la acomodación.The cable (11) controls the position of the arm in the horizontal axis regulating forward and reverse. Work in opposition to the dock (12). Also on this axis there is displacement of the center of rotation (47), but again the presence of elastic elements (12) allows accommodation.

El soporte (33) del exo-brazo es la plataforma móvil de la estructura paralela del hombro. El punto de anclaje (57), mostrado en la Figura 9 (y de manera explosionada en la Figura 10), está adaptado para la incorporación de los cables que controlan la rotación del exo-brazo respecto al soporte (33). Los anclajes (58) proporcionan a los cables que harán la tracción inferior un punto de enganche que sobresale del brazo, mejorando la eficacia del sistema. Por último, la barra (31) acoplada al soporte (33) permite el deslizamiento del elemento (32) entre los extremos (30, 33). En la pieza deslizante (32) engancha el muelle superior (5) que ejerce tracción hacia arriba.The support (33) of the exo-arm is the mobile platform of the parallel structure of the shoulder. Point anchor (57), shown in Figure 9 (and in an exploded manner in Figure 10), it is adapted for the incorporation of the cables that control the rotation of the exo-arm with respect to the support (33). The anchors (58) provide the cables that will make the lower traction a hitch point protruding from the arm, improving system efficiency. Finally, the bar (31) coupled to the support (33) allows the sliding of the element (32) between the ends (30, 33). On the sliding piece (32) hook the upper spring (5) that exerts upward traction.

Los actuadores de potencia rotativos que se emplazan en la mochila ejercen su tracción sobre el cable mediante una polea (80) que se muestra en la Figura 11. La polea (80) en lugar de tener un vano cilíndrico plano dispone de un surco helicoidal (84) que permite conducir el cable en su recogida lo que permite tener un mayor control de la longitud de cable recuperada y por tanto de la posición de la articulación. De no existir se producirían superposiciones aleatorias del cable sobre sí mismo que dificultarían el control. El elemento (81) es el punto de anclaje del cable que se introduce por el hueco (82). Existe en ambos extremos de la polea para poder usarla con un solo cable o con dos, de modo que uno se recoja al tiempo que el que trabaja en oposición se libere. Los salientes helicoidales (83) garantizan una correcta conducción del cable. El punto (85) permite la entrada del eje sobre el que rota la polea.The rotary power actuators that are placed in the backpack exerts its traction on the cable by a pulley (80) shown in Figure 11. The pulley (80) in instead of having a flat cylindrical opening it has a groove helical (84) that allows to drive the cable in its collection what allows to have a greater control of the length of cable recovered and therefore of the position of the joint. If it does not exist, would produce random overlays of the cable on itself that They would make control difficult. The element (81) is the anchor point of the cable that is inserted through the hole (82). It exists in both ends of the pulley to be able to use it with a single cable or with two, so that one picks up while the one who works in opposition free. The helical projections (83) guarantee correct cable conduction Point (85) allows the shaft to enter the one that rotates the pulley.

La ropa que debe cubrir el robot en principio es ropa normal o casi normal. Una ropa abultada como un abrigo permitirá camuflar más fácilmente las estructuras, pero en general todo en el robot ha sido diseñado para ocupar un espacio razonablemente moderado. El muelle superior quedaría camuflado bajo el punto (77) o sobresaliendo sólo ligeramente. Esto podría requerir ampliar la holgura de la prenda por esa zona. También se requerirían ampliaciones de volumen en (74) para permitir un libre movimiento de los amortiguadores si están presentes. Otra zona que puede requerir un diseño especial es (75). Es preferible que sobre tela para admitir una fácil extensión y recogida de ropa al mover el codo. La prenda podría ir suelta sobre el robot o fijada en algunos puntos como (76). También se ha considerado que debe existir una apertura en la zona frontal (73), por ejemplo una cremallera para poder ponerse y quitarse la prenda con facilidad, dado que no es un simple jersey, sino que lleva un robot dentro.The clothes that the robot should cover in principle is normal or almost normal clothes. A bulky clothes like a coat it will allow camouflaging structures more easily, but in general everything in the robot has been designed to occupy a space reasonably moderate. The upper pier would be camouflaged under the point (77) or protruding only slightly. This might require expand the slack of the garment in that area. Would also be required volume expansions in (74) to allow free movement of the shock absorbers if present. Another area that may require A special design is (75). It is preferable that over cloth to admit an easy extension and collection of clothes when moving the elbow. The garment could go loose on the robot or fixed at some points as (76). It has also been considered that there should be an opening in the front area (73), for example a zipper to be able to put on and take off the garment easily, since it is not a simple jersey, but carries a robot inside.

Las ventajas del modelo propuesto son:The advantages of the proposed model are:

--: Accionamiento basado en cables: No hay actuadores de potencia en las articulaciones, lo cual reduce el peso y las inercias del exoesqueleto y la potencia de los actuadores. Éstos se instalan en el chaleco o mochila contribuyendo a la estabilidad del conjunto, reduciendo el volumen y facilitando su ocultación bajo la ropa. El modelo gana ligereza y movilidad.Cable based drive: No power actuators in the joints, which reduces weight and the inertia of the exoskeleton and the power of the actuators. These are installed in the vest or backpack contributing to the stability of the set, reducing the volume and facilitating its concealment under clothes. The model gains lightness and mobility.

--: Compensación cinetoestática: Los muelles reducen la carga de los actuadores, y su tamaño, aligerando el sistema y aumentando su autonomía.Kinetic Compensation: The Docks reduce the actuator load, and its size, lightening the system and increasing its autonomy.

--: Estructura de cinemática paralela en el hombro: Resuelve la problemática del hombro mediante una estructura paralela formada por muelles y cables que se acomodan a los desplazamientos de la articulación. La unión exo-esqueleto/chaleco no es rígida, aunque sí lo es la unión entre el exoesqueleto y el brazo del usuario y la unión del tronco corporal con el chaleco.Parallel kinematics structure in the Shoulder: Solve the problem of the shoulder through a structure parallel formed by springs and cables that accommodate the joint displacements. The Union exo-skeleton / vest is not rigid, although it is the union between the exoskeleton and the user's arm and the union of the body trunk with vest.

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--: Estructura en rejilla semicilíndrica: La estructura en rejilla del "exo-brazo" y "exo-antebrazo" mantiene el brazo del paciente sujeto, acomodado y protegido, al tiempo que mantiene la rigidez del exoesqueleto. La estructura es ligera, permite el paso de cables por el interior de los tubos y podría construirse regulable en longitud mediante un sistema telescópico.Semi-cylindrical grid structure: The grid structure of the "exo-arm" and "exo-forearm" keeps the patient's arm subject, accommodated and protected, while maintaining the rigidity of the exoskeleton. The structure is light, allows the passage of cables through the inside of the tubes and could be constructed adjustable in length by a telescopic system.

--: Sistema de anillos en muñeca y hombro: La rotación de muñeca y hombro se consigue mediante una estructura de anillos concéntricos más estrecho radialmente, aunque más grande longitudinalmente. Se mantiene la rigidez estructural con volumen reducido.Wrist and shoulder ring system: The wrist and shoulder rotation is achieved through a structure of concentric rings narrower radially, although larger longitudinally. Structural rigidity is maintained with volume reduced.

--: Cinco grados de libertad: Se resuelven los movimientos posibles del hombro, codo y la rotación de la muñeca con sólo cinco actuadores.Five degrees of freedom: The possible movements of the shoulder, elbow and wrist rotation with only five actuators

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El paciente puede colocarse el chaleco sobre el cuerpo como lo haría con un abrigo, esto es introduciendo el brazo que necesita rehabilitación primero por la manga en la que se encuentra el exoesqueleto e introduciendo el otro brazo después. Finalmente cerraría la cremallera y ajustaría el cinturón.The patient can put the vest on the body as you would with a coat, this is by introducing the arm who needs rehabilitation first by the sleeve in which he Find the exoskeleton and insert the other arm later. Finally he would close the zipper and adjust the belt.

Por su escaso peso y volumen no necesita un entorno abierto y despejado, como los centros de rehabilitación ni como los entornos industriales. Se puede utilizar para ejecutar los ejercicios de rehabilitación en el hogar. Los terapeutas indican que hay varios factores que contribuyen a la rehabilitación eficaz del paciente:Because of its low weight and volume it does not need a open and clear environment, such as rehabilitation centers or Like industrial environments. It can be used to execute the home rehabilitation exercises. Therapists indicate that There are several factors that contribute to the effective rehabilitation of patient:

--: Poder realizar ejercicios del tipo "tomar y dejar un objeto" en posición erguida, sentado y agachado. La concepción portable y muy ligera del exoesqueleto facilita la adopción de todas estas posturas, que son imposibles con la mayoría de los sistemas existentes.Power perform exercises such as "take and leave an object" in upright position, sitting and crouching. The portable and very conception lightweight exoskeleton facilitates the adoption of all these postures, which are impossible with most systems existing.

--: Poder variar de ambiente de ejecución de la tarea para que el paciente se sienta estimulado a la ejecución de una tarea que por ser repetitiva no resulta atractiva. El exoesqueleto está diseñado para ocupar un mínimo volumen, lo que facilita moverse por todas partes superando con facilidad puertas, pasillos estrechos y ascensores.Power vary from the task execution environment so that the patient feel stimulated to the execution of a task that for being repetitive It is not attractive. The exoskeleton is designed to occupy a minimum volume, which facilitates moving everywhere overcoming Easily doors, narrow aisles and elevators.

--: La frecuencia de los ejercicios de rehabilitación. Poder usarlo en lugares diferentes del hospital aumenta la frecuencia de uso, pues desliga de lugar y horarios. El aspecto de ropa también contribuye a que el usuario acepte mejor el sistema, y esté dispuesto a usarlo en su casa y en otros lugares.The frequency of rehabilitation exercises. To be able to use it in different places in the hospital increase the frequency of use, because Take off place and schedules. The appearance of clothes also contributes to that the user accepts the system better, and is willing to use it in Your home and elsewhere.

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Los movimientos que debe ejecutar para la rehabilitación pueden estar pre-programados, o pueden prepararse de forma específica para el paciente en cuestión. El terapeuta, tras activar el modo grabación, podría agarrar con sus manos el antebrazo del paciente presionando con ellas sobre los sensores externos y el exoesqueleto reaccionará contribuyendo al empuje que ejerce el médico sobre el brazo desplazándolo. Al tiempo el movimiento quedará registrado.The movements you must execute for the rehabilitation may be pre-scheduled, or They can be prepared specifically for the patient in question. The therapist, after activating the recording mode, could grab with his hands the patient's forearm pressing with them on the external sensors and the exoskeleton will react contributing to push that the doctor exerts on the arm moving it. At the time The movement will be registered.

Un modo de realización del módulo de sensores externos es en forma de dedales opuestos. Puede haber un número variable de pares de dedales, situados preferiblemente en el antebrazo (100, 101; 102, 103), como se muestra en la Figura 19 en la que se representan dos parejas de dedales opuestos, de modo que el movimiento del brazo pueda ser dirigido de forma natural agarrando el antebrazo. Los dedales pueden estar ubicados también en la muñeca o en el brazo (105, 106), como se muestra en la Figura 16. En la Figura 17 se muestra, a modo de ejemplo, un módulo de cinco sensores (93, 94, 95, 96, 97) incluidos en el interior (98) de un dedal (99). El terapeuta agarra el brazo del paciente por debajo en una postura natural, como se representa en las Figuras 15 y 16. Encontrará dos orificios amplios (98) para introducir los dedos pulgar y corazón de cada mano. Cada uno de ellos dispone de cinco sensores situados arriba (94), debajo (97), a la derecha (93), a la izquierda (96) y al fondo (95). Al mover su mano tropezará con los sensores ejerciendo presión sobre ellos y activando los actuadores de potencia que colaborarán al movimiento deseado.An embodiment of the sensor module External is in the form of opposite thimbles. There may be a number variable of pairs of thimbles, preferably located in the forearm (100, 101; 102, 103), as shown in Figure 19 in which two pairs of opposite thimbles are represented, so that arm movement can be directed naturally grabbing the forearm Thimbles may also be located in the wrist or arm (105, 106), as shown in Figure 16. An example of a module of five is shown in Figure 17 sensors (93, 94, 95, 96, 97) included inside (98) of a thimble (99). The therapist grabs the patient's arm below in a natural posture, as depicted in Figures 15 and 16. You will find two wide holes (98) to insert your fingers Thumb and heart of each hand. Each of them has five sensors located above (94), below (97), to the right (93), to the left (96) and at the bottom (95). When you move your hand you will trip over the sensors exerting pressure on them and activating the actuators of power that will contribute to the desired movement.

Suponiendo que el terapeuta actúa sobre una única pareja de dédalos (102, 103), si ejerce fuerza sobre los sensores superiores (94) de los dedales opuestos (102, 103) el brazo se eleva, si lo hace sobre los dos sensores inferiores (97) el brazo desciende. Si presiona los dos sensores más cercanos a la mano (96) el brazo avanzará hacia delante y si lo hace sobre los dos sensores más cercanos al codo (93) el brazo retrocederá. Si presiona sobre sólo uno de los sensores del fondo (95) el brazo avanzará intentando reducir la presión del sensor y así se conseguirán movimientos laterales de aproximación o alejamiento al tronco del cuerpo, en función del dedal (102, 103) sobre el que esté actuando. Si se presiona sobre ambos sensores del fondo (95) simultáneamente, independientemente de la diferencia de presión, se entenderá que no se desea hacer movimiento lateral. Si se presiona en un superior (94) y en el opuesto inferior (97) se producirá el giro de muñeca-antebrazo en el sentido de giro correspondiente. Si se dispone de 4 sensores (100, 101, 102, 103) en el antebrazo -Figura 19- o dos en el antebrazo (102, 103) y dos en el brazo (105, 106) -Figura 16-, en las proximidades del codo es posible realizar cualquier movimiento. Siguiendo las instrucciones anteriores se puede trasladar el antebrazo a cualquier posición y orientación que sea natural para el hombre. Dado que el brazo humano es una cadena cinemática abierta y que el cuerpo del paciente es mucho más pesado que el antebrazo, el codo y el brazo se adaptarán a la nueva ubicación del antebrazo, manteniéndose el cuerpo en una posición fija. Si replegamos el antebrazo sobre el cuerpo el codo se flexionará. Si lo hacemos manteniendo los sensores a la misma altura el codo flexionará en horizontal, en cambio si situamos los sensores en la misma vertical el codo flexionará en vertical. Además, para grabar movimientos especiales se puede sentar o tumbar al paciente de modo que se consiga mayor inmovilidad del cuerpo, si fuera necesario.Assuming that the therapist acts on a only pair of daedalus (102, 103), if it exerts force on the upper sensors (94) of opposite thimbles (102, 103) the arm it rises, if you do it on the two lower sensors (97) the arm comes down. If you press the two sensors closest to your hand (96) the arm will move forward and if it does so on the two sensors closer to the elbow (93) the arm will recede. If you press on only one of the background sensors (95) the arm will advance trying reduce the pressure of the sensor and thus movements will be achieved lateral approach or distance to the trunk of the body, in function of the thimble (102, 103) on which it is acting. Whether press on both background sensors (95) simultaneously, regardless of the pressure difference, it will be understood that no you want to make lateral movement. If you press on a superior (94) and in the lower opposite (97) the rotation of wrist-forearm in the direction of rotation correspondent. If 4 sensors (100, 101, 102, 103) are available in the forearm -Figure 19- or two in the forearm (102, 103) and two in the arm (105, 106) -Figure 16-, in the vicinity of the elbow is possible to make any movement. Following the instructions above the forearm can be moved to any position and orientation that is natural for man. Since the human arm it is an open kinematic chain and that the patient's body is much heavier than the forearm, elbow and arm will adapt to the new location of the forearm, keeping the body in a fixed position If we fold the forearm over the body the elbow will will flex. If we do it keeping the sensors at the same height the elbow will flex horizontally, however if we place the sensors in the same vertical the elbow will flex vertically. Also for record special movements you can sit or lay down on the patient so that greater immobility of the body is achieved, if it were necessary.

En general, la presión es al mismo tiempo el modo de regular la velocidad de avance. Al soltar el antebrazo éste se detiene, pues los sensores detectan la falta de presión. La diferencia de presión entre las dos manos del terapeuta permite variar la orientación del brazo.In general, the pressure is at the same time the way of regulating the speed of advance. When the forearm is released it stops, because the sensors detect the lack of pressure. The pressure difference between the therapist's two hands allows vary the orientation of the arm.

Una vez el movimiento ha quedado registrado, se puede activar el modo reproducción, y el paciente podrá repetir los movimientos que han sido grabados tantas veces como quiera. Mediante un pequeño mando inalámbrico puede elegir la secuencia a reproducir y dar la orden de inicio. También puede usar los sensores externos para indicar por simple contacto con la mano no afectada el inicio de alguno de los movimientos grabados.Once the movement has been registered, it You can activate the playback mode, and the patient can repeat the movements that have been recorded as many times as you want. Through a small wireless controller can choose the sequence to play and give the start order. You can also use external sensors to indicate by simple contact with the unaffected hand the start of any of the recorded movements.

Sobre el resultado de la grabación se aplica por defecto un filtrado paso bajo que suavizará la trayectoria y la hará más continua.On the result of the recording is applied by defect a low pass filtering that will soften the trajectory and make it more continuous

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Ejemplo 2Example 2 Modo de realización con mochilaPerformance with backpack

En la Figura 3 se muestra un ejemplo sencillo de disposición de actuadores de potencia sobre una mochila (10). Esto permite descargarse este peso al sentarse.Figure 3 shows a simple example of arrangement of power actuators on a backpack (10). This allows you to download this weight when sitting.

Las poleas (80) están unidas por el eje a los actuadores (6) que se encuentran fijados al chaleco o a la mochila mediante los porta-actuadores de potencia (69). La fijación de las poleas que soportan la tracción del cable es doble mediante los porta-actuadores de potencia (69) y los porta-poleas (86). Las poleas ejercen su tracción sobre las articulaciones del robot mediante el cable (67) que vemos enfundado en (62) a partir del pasador (66). El cable enfundado (62) es guiado a veces por los tubos del brazo y a veces se sujeta en su trayectoria, mediante las bridas o presas (65).The pulleys (80) are connected by the shaft to the actuators (6) that are attached to the vest or backpack by means of the power actuator holders (69). The fixing the pulleys that support the cable pull is double by means of power actuators (69) and the pulley holders (86). The pulleys exert their traction on the joints of the robot using the cable (67) that we see encased in (62) from the pin (66). The wire sheathed (62) is sometimes guided by the arm tubes and sometimes it is held in its trajectory, by means of flanges or dams (65).

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Ejemplo 3Example 3 Modo de realización con actuadores linealesMethod of realization with linear actuators

En la Figura 4 se puede observar otro modo de realización en el que los actuadores de potencia (6) van colocados sobre el chaleco (8), siendo ésta una versión integrada en la que no hay mochila (10).In Figure 4 another mode of embodiment in which the power actuators (6) are placed on the vest (8), this being an integrated version in which no there is backpack (10).

En ella se pueden ver los mismos elementos que en la anterior, pero integrados en el chaleco (8) para ocupar el menor espacio y volumen posibles y para repartirlos de la manera más apropiada. Los pasadores (66) hacen el cambio entre cable enfundado (62) y cable desnudo (67). En esta versión se han instalado actuadores de potencia lineales (206) en los que el vástago (205) está unido al cable desnudo (67) y tira de él o lo suelta para controlar el movimiento. La ventaja de estos actuadores lineales (206) es que se integran muy fácilmente, en el chaleco permitiendo un mejor camuflaje de equipos. Los soportes (204) se colocan a ambos lados del actuador lineal (206), o siguiendo la recomendación del fabricante, procurando ocupar poco espacio. En la imagen se han dibujado solo a un lado para mostrar el vástago.In it you can see the same elements that in the previous one, but integrated in the vest (8) to occupy the least space and volume possible and to distribute them in the most appropriate. The pins (66) make the change between sheathed cable (62) and bare cable (67). In this version they have been installed linear power actuators (206) in which the rod (205) is attached to the bare wire (67) and pulls it or releases it to Control the movement. The advantage of these linear actuators (206) is that they integrate very easily, in the vest allowing Better camouflage equipment. The supports (204) are placed on both sides of the linear actuator (206), or following the recommendation of the manufacturer, trying to take up little space. In the picture they have drawn only to the side to show the stem.

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Ejemplo 4Example 4 Modo de realización con 2 brazos2-arm embodiment

Este modo de realización puede servir para hacer ejercicios con los dos brazos en paralelo o en coordinación de movimientos, por ejemplo para uso deportivo. La diferencia esencial es que se instalarían dos exo-brazos y los actuadores necesarios para mover ambos brazos.This embodiment can serve to make exercises with both arms in parallel or in coordination of movements, for example for sports use. The essential difference is that two exo-arms would be installed and the actuators necessary to move both arms.

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Ejemplo 5Example 5 Modo de realización para asistencia a la tercera edadExecution mode for assistance to the elderly

En el diseño se han eliminado los elementos de alta precisión, que no son necesarios para estos usos convirtiéndolo por su bajo coste en un sistema que se puede adquirir de forma masiva para asistencia a personas mayores o para rehabilitación en el propio hogar, como apoyo para unos músculos debilitados por la edad u otras causas, o para entrenamiento deportivo por su capacidad de reproducir movimientos.In the design the elements of high precision, which are not necessary for these uses making it for its low cost in a system that can be acquired in a way mass for assistance to the elderly or for rehabilitation in the home itself, as support for muscles weakened by the age or other causes, or for sports training because of its ability of reproducing movements.

Sobre el mismo montaje descrito en el primer ejemplo, se podría disponer de una serie de movimientos pregrabados que permiten ejecutar las tareas más frecuentes o las más pesadas para que el usuario las pueda realizar sin miedo a provocar un accidente.On the same assembly described in the first example, a series of prerecorded movements could be available that allow to execute the most frequent or the heaviest tasks so that the user can perform them without fear of causing a accident.

En este modo bastaría con seleccionar el programa deseado mediante teclado o unos botones dispuestos sobre el antebrazo. Otra modalidad de uso es el modo "sígueme" en que el usuario puede desplazar su brazo afectado dirigiéndolo con su otra mano mediante el uso de los sensores externos (100, 101, 102, 103, 105, 106). En este caso no se requiere, la misma precisión, por lo que no es necesario el uso de los cuatro juegos de sensores de las dos manos. En general bastará con usar un dedo para moverlo. El usuario colocará el brazo en una posición determinada y el exoesqueleto la mantendrá hasta nueva orden. Esto es una manera de poder sostener cosas sin soportar realmente su peso o sujetar objetos que deben ser manipulados con dos manos.In this mode, simply select the desired program by keyboard or buttons arranged on the forearm. Another mode of use is the "follow me" mode in which the user can move his affected arm by directing it with his other hand by using external sensors (100, 101, 102, 103, 105, 106). In this case, the same accuracy is not required, so that it is not necessary to use the four sets of sensors of the two hands. In general, just use a finger to move it. He user will place the arm in a certain position and the Exoskeleton will keep it until new order. This is a way of be able to hold things without really supporting their weight or hold objects that must be handled with two hands.

Si fuera necesario, el usuario puede regular la fuerza que el exoesqueleto es capaz de hacer, desplazando el punto de apoyo de los amortiguadores inferiores en el brazo. Basta para ello que este tenga unas cuantas posiciones prefijadas (la de movimiento normal, carga pesos moderados, carga de pesos medios y carga de pesos elevados). Un modo de realización del punto de anclaje variable sería que éste estuviera en un disco (90) cuyo centro (92) va fijado al exo-brazo (2), como se muestra en las Figuras 18 y 19. Un ligero movimiento del disco y la introducción de un pasador (91) para fijarlo servirán para conseguir la variación del punto de anclaje (104) de los amortiguadores inferiores al exo-brazo (alejándolos o acercándolos al hombro) y por tanto la regulación de carga que puede soportar el exoesqueleto.If necessary, the user can regulate the force that the exoskeleton is capable of displacing the point of support of the lower shock absorbers in the arm. Enough for that this has a few preset positions (that of normal movement, load moderate weights, load of average weights and heavy weight load). An embodiment of the point of variable anchoring would be that it was on a disk (90) whose center (92) is fixed to the exo-arm (2), as shown in Figures 18 and 19. A slight movement of the disk and the introduction of a pin (91) to fix it will serve to get the variation of the anchor point (104) of the dampers inferior to the exo-arm (moving them away or closer to the shoulder) and therefore the load regulation that can support the exoskeleton.

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Ejemplo 6Example 6 Modo de realización del conjunto de sensores externosMode of realization of the set of external sensors

Si ejerce fuerza sobre los sensores inferiores el brazo se eleva, si lo hace sobre los superiores el brazo desciende. Si se está sujetando por los sensores más cercanos a la mano el brazo avanzará hacia delante y si sujeta por los más cercanos al codo el brazo retrocederá. Si sujeta por ambos a la vez el antebrazo se elevará o descenderá sin avance ni retroceso. Si se desea, por ejemplo, que el brazo avance sin elevarse ni descender se sujetará los sensores superiores e inferiores próximos a la muñeca. La presión es al mismo tiempo el modo de regular la velocidad de avance. Al soltar el antebrazo este se detiene, pues los sensores detectan la falta de presión.If you exert force on the lower sensors the arm rises, if you do it above the upper arm comes down. If it is being held by the sensors closest to the hand the arm will move forward and if held by the most close to the elbow the arm will recede. If you hold for both at the same time the forearm will rise or fall without forward or reverse. Whether you want, for example, for the arm to move forward without raising or lowering will hold the upper and lower sensors near the wrist. Pressure is at the same time the way to regulate the speed of Advance. When releasing the forearm it stops, because the sensors They detect the lack of pressure.

Por último, la Figura 20 representa el esquema de funcionamiento del exo-esqueleto (310). Los actuadores del exoesqueleto son manejados por un sistema de control en bucle cerrado (308) que se asegurará de posicionarlos en todo momento en el lugar deseado.Finally, Figure 20 represents the scheme of operation of the exo-skeleton (310). The exoskeleton actuators are managed by a control system in a closed loop (308) which will ensure that they are positioned throughout moment in the desired place.

El bloque (302) permite al usuario o al asistente (300) seleccionar el modo de funcionamiento del exoesqueleto. Los modos esenciales son:Block (302) allows the user or the assistant (300) select the operating mode of the exoskeleton. The essential modes are:

1 one: Exoesqueleto detenido: No hará nada. Estará en este modo cuando no está en uso o el usuario se lo está colocando.Exoskeleton stopped: He will do nothing. Will be in this mode when not in use or the user is placing.

2 2: Exoesqueleto en modo grabación de trayectorias: registra los movimientos realizados por el exoesqueleto.Exoskeleton in trajectory recording mode: Record the movements made by the exoskeleton.

3 3: Exoesqueleto en modo seguimiento de trayectoria grabada: Se seleccionará la trayectoria deseada y el robot la repetirá un número determinado de veces (programable).Exoskeleton in path tracking mode recorded: The desired path will be selected and the robot will Repeat a certain number of times (programmable).

4 4: Exoesqueleto en modo seguimiento de sensores externos (dedales): El exoesqueleto seguirá los movimientos que indiquen los dedales.Exoskeleton in sensor tracking mode external (thimbles): The exoskeleton will follow the movements that indicate the thimbles.

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Cualquier contacto con los dedales o sensores externos (304) debería hacer pasar al exoesqueleto al modo "seguimiento de sensores externos", para protección del usuario. En este modo el usuario podría colocar su brazo en la posición que desee, o detener un movimiento no deseado. Por su parte el médico, terapeuta, el entrenador, o el asistente del que se trate (316) podrá mover el exoesqueleto empleando los dedales y grabar al mismo tiempo en el sistema la trayectoria generada para su posterior reproducción.Any contact with thimbles or sensors external (304) should bring the exoskeleton into mode "external sensor tracking", for protection of Username. In this mode the user could place his arm on the desired position, or stop an unwanted movement. For its part the doctor, therapist, coach, or assistant in question (316) may move the exoskeleton using thimbles and record at same time in the system the path generated for its subsequent reproduction.

El sistema de grabación de trayectorias (318) permite registrar cualquier movimiento que ejecute el exoesqueleto. De este modo se pueden almacenar movimientos de ensayo, movimientos habituales en el quehacer diario, movimientos de entrenamiento o terapia que deben repetirse con frecuencia, etc.The trajectory recording system (318) allows to register any movement that executes the exoskeleton. In this way you can store test movements, movements habitual in the daily work, training movements or therapy that should be repeated frequently, etc.

El asistente (316) también puede grabar trayectorias obtenidas por simulación (312) en un ordenador externo o en el del exoesqueleto. De este modo puede retocar o tratar digitalmente trayectorias predefinidas para su posterior ejecución. También puede cargar en el generador de trayectorias (306) aquellas que ya ha usado con otros clientes, que están bien probadas y que demuestran ser más útiles.The assistant (316) can also record paths obtained by simulation (312) on an external computer or in the exoskeleton. This way you can retouch or try digitally predefined paths for later execution. You can also load in the trajectory generator (306) those that you have already used with other clients, that are well tested and that They prove to be more useful.

En general todas las trayectorias, independientemente de su origen pueden registrarse en el sistema de generación de trayectorias (306) que será el responsable de indicar al sistema de control el movimiento que se desea realizar, si está en modo seguimiento de trayectorias grabadas.In general all trajectories, regardless of their origin they can be registered in the system of generation of trajectories (306) that will be responsible for indicating to the control system the movement that is desired, if it is in track mode of recorded paths.

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Ejemplo 7Example 7 Modo de realización para aplicaciones específicasExecution mode for specific applications

En industria, o en aplicaciones especiales, como podría ser en un taller mecánico, podría darse la circunstancia, por ejemplo, de que el usuario realice todo el tiempo el trabajo en posición horizontal, para colocar piezas por debajo en un equipo que se encuentra sobre él mientras él está tumbado boca arriba. En un caso así, tiene más sentido que el sistema cinetostático esté situado en oposición a la fuerza de la gravedad. En esencia el único cambio en este modo de realización es que la plataforma paralela del hombro estaría girada unos 90º respecto a su colocación normal. Igualmente son posibles otras posiciones de la misma plataforma para aplicaciones específicas que lo requieran.In industry, or in special applications, such as it could be in a mechanical workshop, the circumstance could occur, for example, that the user does all the time the work in horizontal position, to place parts below in a device that lies on him while he is lying on his back. In a In this case, it makes more sense that the kinetic system is located in opposition to the force of gravity. Essentially the only change in this embodiment is that the parallel platform of the Shoulder would be rotated about 90º with respect to its normal placement. Other positions of the same platform are also possible to specific applications that require it.

Claims

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1. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano, que comprende:1. Wearable robotic arm exoskeleton human, which includes:

- una exo-muñeca, que comprende al menos un anillo (21, 22, 23) para soportar la muñeca del usuario y permitir su giro;- an exo-doll, which comprises at least one ring (21, 22, 23) to support the user's wrist and allow its turn;

- un exo-antebrazo (3), unido a la exo-muñeca y encargado de soportar el antebrazo del usuario;- an exo-forearm (3), attached to the exo-wrist and in charge of supporting the forearm of the user;

- un exo-brazo (2) encargado de soportar el brazo del usuario, unida al exo-antebrazo (3) mediante una articulación móvil (15) para permitir el giro del codo del usuario;- an exo-arm (2) in charge of support the user's arm, attached to the exo-forearm (3) using a mobile joint (15) to allow the user's elbow to rotate;

- una unión del exo-brazo (2) con la plataforma móvil del hombro para permitir la rotación del brazo en el hombro;- an exo-arm junction (2) with the mobile shoulder platform to allow rotation of the shoulder arm;

- una pluralidad de cables de tracción (67) para forzar el movimiento de cada articulación;- a plurality of traction cables (67) for force the movement of each joint;

- una pluralidad de actuadores de potencia (6, 206) para actuar los cables de tracción (67);- a plurality of power actuators (6, 206) to operate the traction cables (67);

caracterizado por que comprende: characterized in that it comprises:

- medios portadores (8) para ser portados por el usuario y encargados de soportar los actuadores de potencia (6, 206);- carrier means (8) to be carried by the user and responsible for supporting the power actuators (6, 206);

- una estructura de cinemática paralela del hombro, encargada de proporcionar la movilidad del brazo con respecto al hombro y de efectuar un seguimiento de los desplazamientos del hombro respecto al cuerpo, que comprende al menos una pluralidad de cables (11, 13) que conectan un soporte de brazo (33), que actúa como plataforma móvil de la estructura de cinemática paralela, con los medios portadores (8), que actúan como plataforma base de la estructura de cinemática paralela.- a parallel kinematic structure of the shoulder, responsible for providing arm mobility with with respect to the shoulder and to track the Shifts of the shoulder with respect to the body, which includes minus a plurality of cables (11, 13) that connect a support of arm (33), which acts as a mobile platform for the structure of parallel kinematics, with the carrier media (8), which act as base platform of the parallel kinematics structure.

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2. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según la reivindicación 1, caracterizado por que la estructura de cinemática paralela del hombro comprende un sistema de compensación de gravedad, formado por una pluralidad de muelles (4, 5) que conectan el soporte de brazo (33) y los medios portadores (8) para soportar parcial o totalmente el peso del brazo del usuario.2. Wearable robotic exoskeleton for human arm according to claim 1, characterized in that the parallel kinematic structure of the shoulder comprises a gravity compensation system, formed by a plurality of springs (4, 5) connecting the arm support (33 ) and the carrier means (8) for partially or totally supporting the weight of the user's arm.

3. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según la reivindicación 2, caracterizado por que el sistema de compensación de gravedad comprende al menos uno de los siguientes:3. Wearable robotic exoskeleton for human arm according to claim 2, characterized in that the gravity compensation system comprises at least one of the following:

- un par de amortiguadores inferiores (4) que soportan el brazo por delante y por detrás del mismo, apoyándose en dos puntos situados en la parte inferior de los medios portadores (8).- a pair of lower shock absorbers (4) that support the arm in front of and behind it, leaning on two points located at the bottom of the carrier means (8).

- un muelle superior (5) anclado, en vertical cerca de una hombrera, a los medios portadores (8) y unido por el otro extremo al soporte del brazo (33).- an upper spring (5) anchored, vertically near a shoulder pad, to the bearer means (8) and joined by the other end to the arm support (33).

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4. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la exo-muñeca está formada por tres anillos (21, 22, 23) concéntricos, disponiendo el anillo central (22) de forma de polea para guiar un cable tractor (56) y poder rotar sobre su eje para girar la muñeca del usuario en sentido horario o antihorario.4. Wearable robotic exoskeleton for human arm according to any of the preceding claims, characterized in that the exo-wrist is formed by three concentric rings (21, 22, 23), the central ring (22) having a pulley shape for guiding a tractor cable (56) and be able to rotate on its axis to rotate the user's wrist clockwise or counterclockwise.

5. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que tanto el exo-antebrazo (3) como el exo-brazo (2) comprenden, para mantener el brazo del usuario sujeto al exoesqueleto, una rejilla con forma de semicilindro, unos acolchamientos y unas fijaciones mediante bandas elásticas para sujetar el conjunto y distribuir la presión por todo el brazo.5. Wearable robotic exoskeleton for human arm according to any of the preceding claims, characterized in that both the exo-forearm (3) and the ex-arm (2) comprise, to keep the user's arm attached to the exoskeleton, a shaped grid of semi-cylinder, some cushions and some fixations by means of elastic bands to hold the set and distribute the pressure throughout the arm.

6. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la estructura de cinemática paralela del hombro comprende:6. Wearable robotic exoskeleton for human arm according to any of the preceding claims, characterized in that the parallel kinematic structure of the shoulder comprises:

- un cable de tracción hacia abajo (13), encargado de forzar el movimiento del brazo hacia abajo, que se divide en una pluralidad de tendones para equilibrar el movimiento y obtener puntos de anclaje (130) sobre el soporte base (33) desplazados lateralmente.- a pull-down cable (13), in charge of forcing the movement of the arm down, which divide into a plurality of tendons to balance movement and obtain anchor points (130) on the base support (33) laterally displaced.

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7. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la estructura de cinemática paralela del hombro comprende:7. Wearable robotic exoskeleton for human arm according to any of the preceding claims, characterized in that the parallel kinematic structure of the shoulder comprises:

- un cable de tracción (11) encargado de actuar sobre el brazo desde la parte delantera para forzar el movimiento del brazo hacia adelante, y- a traction cable (11) in charge of acting on the arm from the front to force the movement from the arm forward, and

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- un muelle (12) anclado por detrás del brazo a la espalda de los medios portadores (8,10), para forzar el movimiento del brazo hacia atrás.- a spring (12) anchored behind the arm to the back of the carrier means (8,10), to force the arm movement back.

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8. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que la estructura de cinemática paralela del hombro comprende:8. Wearable robotic exoskeleton for human arm according to any of claims 1 to 7, characterized in that the parallel kinematic structure of the shoulder comprises:

- un muelle anclado por delante del brazo a los medios portadores (8, 10) para forzar el movimiento del brazo hacia adelante.- a spring anchored in front of the arm at carrier means (8, 10) to force the movement of the arm towards ahead.

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9. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la rotación del brazo en el hombro se efectúa mediante una cualquiera de las siguientes formas:9. Wearable robotic exoskeleton for human arm according to any of the preceding claims, characterized in that the rotation of the arm on the shoulder is carried out in any of the following ways:

- mediante dos cables (60, 61) que trabajan en oposición;- using two cables (60, 61) that work in opposition;

- mediante un cable y un muelle.- using a cable and a spring.

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10. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la rotación de la muñeca se efectúa mediante una cualquiera de las siguientes formas:10. Wearable robotic exoskeleton for human arm according to any of the preceding claims, characterized in that the rotation of the wrist is carried out in any of the following ways:

- mediante dos cables de tracción;- by two traction cables;

- mediante un cable de tracción (63) y un muelle (51).- using a traction cable (63) and a spring (51).

         \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip

11. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la rotación del codo se efectúa mediante una cualquiera de las siguientes formas:11. Wearable robotic exoskeleton for human arm according to any of the preceding claims, characterized in that the rotation of the elbow is carried out in any of the following ways:

- mediante dos cables de tracción (62, 64) trabajando en oposición;- by two traction cables (62, 64) working in opposition;

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12. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según la reivindicación anterior, caracterizado por que la articulación del codo comprende:12. Wearable robotic exoskeleton for human arm according to the preceding claim, characterized in that the elbow joint comprises:

- dos piezas móviles (26, 29) con un eje de giro común (39), la primera pieza móvil (26) formando parte del exo-antebrazo (3) y la segunda pieza móvil (29) del exo-brazo (2);- two moving parts (26, 29) with a pivot shaft common (39), the first moving part (26) forming part of the exo-forearm (3) and the second moving part (29) of the exo-arm (2);

- unos topes (43) para evitar que el codo pueda girar hacia atrás más allá de una posición límite;- some stops (43) to prevent the elbow from being able to turn backwards beyond a limit position;

- una polea (40), unida solidariamente a la primera pieza móvil (26), que permite el accionamiento de la articulación del codo a través de dos cables de tracción (62, 64).- a pulley (40), jointly and severally attached to the first moving part (26), which allows the actuation of the elbow joint through two traction cables (62, 64).

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13. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según la reivindicación anterior, caracterizado por que comprende:13. Wearable robotic exoskeleton for human arm according to the preceding claim, characterized in that it comprises:

- un encoder ubicado en la polea (40) para determinar el ángulo que relaciona la posición de la primera pieza móvil (26) respecto a la segunda pieza móvil (29);- an encoder located on the pulley (40) for determine the angle that relates the position of the first piece mobile (26) with respect to the second mobile part (29);

- un sensor inercial (114) en el exo-brazo (2) para determinar su inclinación;- an inertial sensor (114) in the exo-arm (2) to determine its inclination;

- un sensor inercial (113) en el exo-antebrazo (3) para, junto con la información del encoder de la polea (40), determinar la posición del exo-antebrazo (3).- an inertial sensor (113) in the exo-forearm (3) for, along with information from pulley encoder (40), determine the position of the exo-forearm (3).

- un sensor inercial (112) sobre la hombrera de los medios portadores (8) para determinar la posición relativa del brazo respecto al cuerpo del usuario.- an inertial sensor (112) on the shoulder strap of the carrier means (8) to determine the relative position of the arm relative to the user's body.

         \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip

14. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado por que los medios portadores comprenden un chaleco (8).14. Wearable robotic exoskeleton for human arm according to any of claims 1 to 12, characterized in that the carrier means comprise a vest (8).

15. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según la reivindicación anterior, caracterizado por que los medios portadores comprenden adicionalmente una mochila (10).15. Wearable robotic exoskeleton for human arm according to the preceding claim, characterized in that the carrier means additionally comprise a backpack (10).

16. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los actuadores de potencia se seleccionan de entre los siguientes:16. Wearable robotic arm exoskeleton human according to any of the preceding claims, wherein the power actuators are selected from among the following:

- actuadores lineales (106);- linear actuators (106);

- actuadores rotacionales (6);- rotational actuators (6);

- una combinación de los anteriores.- a combination of the above.

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17. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según la reivindicación anterior, donde los actuadores de potencia rotacionales (6) ejercen su tracción sobre el cable mediante una polea (80) con un surco helicoidal (84) que permite conducir el cable en su recogida.17. Wearable robotic arm exoskeleton human according to the preceding claim, wherein the actuators of rotational power (6) exerts traction on the cable by means of a pulley (80) with a helical groove (84) that allows Lead the cable in your pickup.

18. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende una pluralidad de dedales de sensores externos (100, 101, 102, 103, 105, 106) ubicados en el propio exoesqueleto para activar los actuadores de potencia (6, 206) y así comandar los movimientos del mismo.18. Wearable robotic exoskeleton for human arm according to any of the preceding claims, characterized in that it comprises a plurality of external sensor thimbles (100, 101, 102, 103, 105, 106) located in the exoskeleton itself to activate the power actuators (6, 206) and thus command its movements.

19. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según la reivindicación anterior, caracterizado por que cada dedal de sensores externo comprende un conjunto de cinco sensores (93, 94, 95, 96, 97) incluidos en el interior (98) de un dedal (99).19. Wearable robotic exoskeleton for human arm according to the preceding claim, characterized in that each external sensor thimble comprises a set of five sensors (93, 94, 95, 96, 97) included inside (98) of a thimble (99 ).

20. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones 18 a 19, caracterizado por que los dedales de sensores externos se disponen en pares de dedales (100, 101; 102, 103; 105, 106) con funciones opuestas.20. Wearable robotic exoskeleton for human arm according to any of claims 18 to 19, characterized in that the external sensor thimbles are arranged in pairs of thimbles (100, 101; 102, 103; 105, 106) with opposite functions.

21. Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano según cualquiera de las reivindicaciones 18 a 20, caracterizado por que dispone de medios de almacenamiento de datos, medios de entrada para selección de un modo de funcionamiento del exoesqueleto y de una unidad de control configurada para, en función de dicha selección, seleccionar uno de los siguientes modos de funcionamiento del exoesqueleto:21. Wearable robotic exoskeleton for human arm according to any of claims 18 to 20, characterized in that it has data storage means, input means for selecting an operating mode of the exoskeleton and a control unit configured for, in Based on this selection, select one of the following modes of operation of the exoskeleton: