ES2549004T3 - Dispositivo y método para disminuir el consumo de oxígeno de una persona durante una marcha regular mediante el uso de un exoesqueleto de soporte de carga - Google Patents

Dispositivo y método para disminuir el consumo de oxígeno de una persona durante una marcha regular mediante el uso de un exoesqueleto de soporte de carga Download PDF

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ES2549004T3
ES2549004T3 ES09807004.8T ES09807004T ES2549004T3 ES 2549004 T3 ES2549004 T3 ES 2549004T3 ES 09807004 T ES09807004 T ES 09807004T ES 2549004 T3 ES2549004 T3 ES 2549004T3
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Russdon Angold
Nathan Harding
Homayoon Kazerooni
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Abstract

Un exoesqueleto (100) de extremidad inferior, que puede configurarse para acoplarse a una persona, comprendiendo dicho exoesqueleto de extremidad inferior, entre otras cosas: un tronco (109) del exoesqueleto adaptado para acoplarse a un cuerpo superior de dicho usuario; primeros y segundos soportes de pierna (101, 102) incluyendo cada uno un enlace de muslo (103, 104) respectivo conectado de manera rotativa con el tronco del exoesqueleto, en el que los primeros y segundos soportes de pierna se adaptan para acoplarse a las extremidades inferiores de dicho usuario y para descansar en el suelo en una fase de posicionamiento y para moverse con respecto al suelo en una fase de balanceo; primeros y segundos accionadores de cadera (145, 146) configurados para crear pares de torsión entre dicho tronco (109) del exoesqueleto y dichos primeros y segundos soportes de pierna respectivamente; y al menos una unidad de energía (201), capaz de proporcionar energía a dichos accionadores de cadera, entre otros componentes, caracterizada por que, durante cada ciclo de una marcha regular, dicha unidad de energía se configura para activar dichos accionadores de cadera de la siguiente manera: a) cuando dicho primer soporte de pierna entra en la fase de posicionamiento, dicho accionador de cadera de dicho primer soporte de pierna crea rápidamente un primer par de torsión unidireccional que actúa para mover dicha primera pierna del exoesqueleto hacia atrás con respecto a dicho tronco del exoesqueleto y, por tanto, empujar dicho tronco del exoesqueleto hacia delante hasta que dicho segundo soporte de pierna golpea el suelo, y b) cuando dicho segundo soporte de pierna entra en la fase de posicionamiento, dicho accionador de cadera de dicho segundo soporte de pierna crea rápidamente dicho primer par de torsión unidireccional y dicho accionador de cadera de dicho primer soporte de pierna crea rápidamente un segundo par de torsión unidireccional que actúa en una dirección para mover dicho primer soporte de pierna hacia delante con respecto a dicho tronco del exoesqueleto hasta que dicho primer soporte de pierna abandona el suelo.

Description

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DESCRIPCIÓN
Dispositivo y método para disminuir el consumo de oxígeno de una persona durante una marcha regular mediante el uso de un exoesqueleto de soporte de carga
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Campo de la Invención La presente invención se refiere generalmente al campo de los exoesqueletos de extremidad inferior y, más específicamente, al campo de los exoesqueletos de extremidad inferior que disminuyen el consumo de oxígeno y el ritmo cardiaco del portador.
Análisis de la técnica anterior En una amplia variedad de situaciones, la gente de capacidad ordinaria consume a menudo una gran cantidad de oxígeno cuando camina o soporta una carga. Ciertamente, el consumo de oxígeno y el ritmo cardiaco de una persona variará dependiendo de la cantidad de esfuerzo físico. En un trabajo titulado, "A QUASI-PASSIVE LEG EXOSKELETON FOR LOAD-CARRYING AUGMENTATION", International Journal of Humanoid Robotics, 2007, los autores reclaman haber desarrollado un exoesqueleto cuasi pasivo que incrementa en un 10 %, el coste de transporte (COT) metabólico al andar, en comparación con una mochila estándar cargada, mientras que se afirma también que se halló que un exoesqueleto similar sin resorte de unión o control de amortiguación (exoesqueleto de impedancia cero) incrementó el COT un 23 %, en comparación con la mochila cargada estándar.
La provisión de un exoesqueleto cuasi pasivo, tal como se ha divulgado en la técnica anterior, se considera que afecta negativamente a determinados parámetros cardiovasculares y otros parámetros fisiológicos de un usuario. Por tanto, todavía existen oportunidades para proporcionar un dispositivo de exoesqueleto compacto, fácil de manejar, rápido, y de uso general, particularmente un dispositivo de exoesqueleto tal que disminuirá de manera significativa el consumo de oxígeno y el ritmo cardiaco de una persona mientras que el dispositivo se lleva puesto.
El documento US 2007/123997 (A1) divulga un exoesqueleto que lleva puesto un usuario humano. El exoesqueleto comprende, en combinación, un arnés pélvico rígido que se lleva alrededor de la cintura del usuario y primeras y segundas estructuras de pierna del exoesqueleto. Cada estructura de pierna se extiende hacia abajo a lo largo de una de las piernas del usuario humano y comprende:
una articulación de cadera para unir dicha estructura de pierna en su extremo superior con dicho arnés pélvico, una articulación de rodilla, un miembro de muslo que se extiende desde dicha articulación de cadera hasta dicha articulación de rodilla, estando unido dicho miembro de muslo al muslo del usuario humano, un miembro de pie unido a un zapato que lleva dicho usuario humano, un miembro de espinilla que se extiende desde dicha articulación de rodilla hasta dicho miembro de pie, estando unido dicho miembro de espinilla a dicho miembro de pie mediante una articulación de tobillo, un resorte pasivo o un accionador activo ubicado en dicha articulación de cadera para aplicar una fuerza motriz para rotar dicho miembro de muslo con respecto a dicho arnés pélvico para ayudar en la elevación de dicho exoesqueleto y dicho usuario humano con respecto a la superficie de suelo sobre la que el usuario está andando y para impulsar el exoesqueleto y al usuario humano hacia delante, un amortiguador controlable conectado de manera operativa a dicha articulación de rodilla para detener el movimiento relativo de dicho miembro de espinilla y dicho miembro de muslo en tiempos controlables, y un resorte ubicado en dicho miembro de pie o dicha articulación de tobillo para almacenar y liberar energía durante la marcha.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención se proporcional exoesqueleto de extremidad inferior de la reivindicación 1.
De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención se proporcional método de utilización del dispositivo de exoesqueleto reivindicado en la reivindicación 9.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Estas y otras características, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor cuando la siguiente descripción detallada se lea en referencia a los dibujos juntos, en los que los caracteres similares representan partes similares a través de los dibujos, en los que:
La Figura 1 es un dibujo en perspectiva delantera de un exoesqueleto de la presente invención que incluye accionadores de cadera; La Figura 2 es un dibujo en perspectiva trasera del exoesqueleto de la Figura 1; La Figura 3 es un diagrama de perfiles de par de torsión para los accionadores de cadera de la Figura 1
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durante un ciclo de marcha; La Figura 4 es un gráfico del par de torsión total de los accionadores de cadera de la Figura 1 a lo largo del tiempo durante un ciclo de marcha; La Figura es un gráfico del par de torsión de cadera humana (movimiento de articulación relativo al porcentaje de tiempo de ciclo) durante un movimiento de extensión de cadera; La Figura 6 es un dibujo esquemático de una unidad de energía de la presente invención; La Figura 7 es un dibujo esquemático de una unidad de energía alternativa de la presente invención que incluye una válvula restrictiva de flujo; La Figura 8 es un dibujo esquemático de una unidad de energía alternativa de la presente invención que incluye una válvula de triple paso; La Figura 9 es un dibujo en perspectiva de un exoesqueleto alternativo de la presente invención que incluye sensores de posicionamiento en comunicación con un procesador de señales; La Figura es un dibujo en perspectiva de un exoesqueleto alternativo de la presente invención que incluye un elemento elástico de cadera; La Figura 11 es un dibujo en perspectiva de un exoesqueleto alternativo de la presente invención que incluye un soporte de conexión para soportar una carga trasera; La Figura 12 es un dibujo en perspectiva de un exoesqueleto alternativo de la presente invención que incluye armazones de extensión para soportar una carga delantera; La Figura 13 es un dibujo en perspectiva de un exoesqueleto alternativo de la presente invención que incluye un tope de abducción de cadera; La Figura 14 es un dibujo en perspectiva de un exoesqueleto alternativo de la presente invención que incluye un elemento elástico de cadera en la forma de una ballesta; La Figura es un dibujo en perspectiva de un exoesqueleto alternativo de la presente invención que incluye dos elementos elásticos de cadera; La Figura 16 es un dibujo en perspectiva de un exoesqueleto alternativo de la presente invención que incluye dos articulaciones de cadera; La Figura 17 es un dibujo en perspectiva de un exoesqueleto alternativo de la presente invención que incluye un armazón de mochila; La Figura 18 es un dibujo en perspectiva de un exoesqueleto alternativo de la presente invención que incluye dos elementos elásticos de cadera y pies del exoesqueleto; La Figura 19 es una vista parcial del exoesqueleto de la Figura 18, que muestra detalles de la articulación del muslo; La Figura es una vista parcial del exoesqueleto de la Figura 18, que muestra detalles de un mecanismo de compresión-alargamiento; La Figura 21 es un dibujo en perspectiva de un exoesqueleto alternativo de la presente invención que incluye zapatos; La Figura 22 es un dibujo en perspectiva de un exoesqueleto alternativo de la presente invención que incluye plantillas; La Figura 23 es una vista parcial de un pie del exoesqueleto de la Figura 18 que incluye una articulación esférica; La Figura 24 es un dibujo en perspectiva de un pie alternativo del exoesqueleto de la presente invención que incluye elementos elásticos; La Figura es un dibujo en perspectiva de un pie alternativo del exoesqueleto de la presente invención que incluye un elemento elástico de abducción-aducción; La Figura 26 es un dibujo en perspectiva de un pie alternativo del exoesqueleto de la presente invención que incluye una articulación rotativa de pierna; La Figura 27 es un gráfico que muestra el consumo de oxígeno de sujetos acoplados a exoesqueletos de la presente invención en comparación con el consumo de oxígeno de sujetos sin exoesqueleto; La Figura 28 es una vista lateral y parcial en sección transversal de un pie alternativo del exoesqueleto de la presente invención que incluye un sensor de posicionamiento integrado; La Figura 29 es una vista en perspectiva superior de un pie alternativo del exoesqueleto de la presente invención que incluye un sensor de fuerza; La Figura es una vista lateral y parcial en sección transversal de un zapato alternativo de la presente invención que incluye un sensor de posicionamiento integrado; La Figura 31 es una vista lateral y parcial en sección transversal de un zapato alternativo de la presente invención que incluye un sensor de posicionamiento montado en la planta del pie; La Figura 32 es una vista lateral y parcial en sección transversal de un zapato alternativo de la presente invención que incluye un sensor de fuerza incorporado en la planta del zapato; La Figura 33 es una vista lateral de un exoesqueleto alternativo de la presente invención soportado en una posición de trinca vertical; La Figura 34 es una vista en perspectiva parcial del exoesqueleto de la Figura 33; La Figura es un dibujo en perspectiva de un pie alternativo del exoesqueleto de la presente invención que incluye amortiguadores hidráulicos rotativos; La Figura 36 representa la función de una articulación de rodilla de bloqueo de acuerdo con la presente invención; La Figura 37 es una vista lateral de un soporte alternativo de pierna derecha de la presente invención que
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incluye elementos elásticos de rodilla en paralelo con generadores de par de torsión; y La Figura 38 es una vista lateral de un soporte alternativo de pierna derecha de la presente invención que incluye elementos elásticos de rodilla en serie con generadores de par de torsión.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS La presente invención proporciona un dispositivo de exoesqueleto que realmente disminuye el consumo de oxígeno del portador. De acuerdo con una primera realización de la presente invención, tal como se muestra en la Figura 1, un exoesqueleto 100 de extremidad inferior que puede llevar una persona 187 puede disminuir el consumo de oxígeno del portador. El exoesqueleto 100 de extremidad inferior, además de otros componentes, incluye dos soportes de pierna 101 y 102, que se configuran para acoplarse a las extremidades inferiores 143 y 144 de una persona y se configuran para descansar sobre la superficie de soporte (por ejemplo, el suelo) durante su fase de posicionamiento. Debería entenderse que el término fase de posicionamiento significa la posición en la que se encuentra un soporte de pierna 101 o 102 cuando se aplica una fuerza descendente en el pie y la pierna de un usuario asociados con el soporte de pierna 101 o 102, y el soporte de pierna 101 o 102 está en contacto con el suelo. El soporte de pierna incluye enlaces de muslo 103 y 104 y enlaces de pierna 105 y 106. Dos articulaciones de rodilla 107 y 108 se configuran para permitir la flexión y extensión entre el enlace de pierna y el enlace de muslo de los soportes de pierna (mostrado mediante la flecha 213 de flexión de rodilla y la flecha 214 de extensión de rodilla, respectivamente) durante la fase de balanceo correspondiente del soporte de pierna y la última parte de la fase de posicionamiento. Debería entenderse que el término fase de balanceo significa la posición en la que se encuentra un soporte de pierna 101 o 102 cuando no se aplica una fuerza descendente en el pie y la pierna de un usuario asociados con el soporte de pierna 101 o 102, y el soporte de pierna 101 o 102 no está en contacto con una superficie de soporte (por ejemplo, el suelo). Sin embargo, dos articulaciones de rodilla 107 y 108 se configuran para resistir la flexión entre el enlace de pierna y el enlace de muslo de los soportes de pierna durante la fase de posicionamiento del soporte de pierna correspondiente. El exoesqueleto 100 de extremidad inferior comprende además un tronco 109 del exoesqueleto. El tronco 109 del exoesqueleto, entre otros componentes, comprende un dispositivo de interfaz 150 de cuerpo superior. El tronco 109 del exoesqueleto puede configurarse para acoplarse al cuerpo superior 149 de una persona a través del dispositivo de interfaz 150 de cuerpo superior. El cuerpo superior 149 de una persona significa cualquier ubicación generalmente sobre los muslos, incluyendo los glúteos. Los ejemplos del dispositivo de interfaz 150 de cuerpo superior incluyen un elemento o combinación de elementos que incluye, sin limitación, chalecos, cinturones, correas, tirantes, cinturones para pecho, escayola corporal, arneses, y cinturones pélvicos. El tronco 109 del exoesqueleto puede conectarse de manera rotativa a soportes de pierna 101 y 102 en articulaciones 125 y 126 de flexión-extensión de cadera, permitiendo las rotaciones de flexión y extensión de la cadera (mostrado mediante la flecha 215 de extensión de cadera y la flecha 216 de flexión de cadera, respectivamente) de los soportes de pierna 101 y 102 alrededor de los ejes 151 y 152 de flexión-extensión de cadera, respectivamente. Los soportes de pierna 101 y 102 pueden configurarse para acoplarse a las extremidades inferiores 143 y 144 de una persona a través de las correas 135 y 136 de interfaz de extremidad inferior.
En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 1, las correas 135 y 136 de interfaz de extremidad inferior se acoplan a enlaces de muslo 103 y 104. En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 2, las correas 135 y 136 de interfaz de extremidad inferior se acoplan a enlaces de pierna 105 y 106. En algunas realizaciones, las correas de interfaz de extremidad inferior se acoplan tanto a enlaces de pierna como a enlaces de muslo. Cada correa 135 y 136 de interfaz de extremidad inferior comprende un elemento o combinación de elementos que incluye, sin limitación, correas, barras, soportes en forma de c, escayola corporal y elastómeros. Durante el funcionamiento, la persona 187 se acopla (o lleva puesto) el exoesqueleto 100 de extremidad inferior a través del dispositivo de interfaz 150 de cuerpo superior (un simple cinturón en el caso de la Figura 1) y acoplándose a dos soportes de pierna 101 y 102 a través de las correas 135 y 136 de interfaz de extremidad inferior. El exoesqueleto 100 de extremidad inferior, entre otras cosas, comprende además dos accionadores de cadera 145 y 146, que se configuran para crear pares de torsión entre el tronco 109 del exoesqueleto y el soporte de pierna 101 y
102. El accionador de cadera derecha 145 se muestra en la Figura 1 y el accionador de cadera izquierda 146 se muestra en la Figura 2. El exoesqueleto 100 de extremidad inferior, entre otros componentes, comprende además al menos una unidad de energía 201 capaz de proporcionar energía y acoplarse a accionadores de cadera 145 y 146. En algunas realizaciones, solo una unidad de energía 201 proporciona energía a los accionadores de cadera 145 y
146. En algunas realizaciones, cada accionador de cadera recibe energía desde unidades de energía separadas. Los accionadores de cadera 145 y 146 comprenden cualquier dispositivo o combinación de dispositivos capaz de proporcionar par de torsión. Los ejemplos de accionadores de cadera 145 y 146 incluyen, sin limitación, motores eléctricos, incluyendo, sin limitación, motores AC (corriente alterna), motores DC (corriente directa) de tipo escobilla, motores DC sin escobillas, motores conmutados de manera electrónica (ECM), motores paso a paso, accionadores hidráulicos, accionadores neumáticos y combinaciones de los mismos. En algunas organizaciones, los accionadores de cadera 145 y 146 se alimentan mediante gas comprimido. En algunas realizaciones, el tronco 109 del exoesqueleto se configura para sostener una carga trasera detrás de la persona 187.
El exoesqueleto 100 de extremidad inferior reduce el gasto de energía y el consumo de oxígeno del portador cuando se producen los pares de torsión correctos mediante los accionadores de cadera 145 y 146. El funcionamiento del exoesqueleto 100 de extremidad inferior puede describirse mejor mediante la inspección de la Figura 3. La Figura 3 muestra el par de torsión que se impone mediante los accionadores de cadera 145 y 146 en el tronco 109 del exoesqueleto durante un ciclo de marcha, donde T1 y T2 representan los casos donde el soporte de pierna derecha
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101 y el soporte de pierna izquierda 102 golpean el suelo 130, respectivamente. Durante el funcionamiento, cuando el exoesqueleto 100 de extremidad inferior lo lleva puesto una persona 187 y el soporte de pierna derecha 101 golpea el suelo 130 enfrente del soporte de pierna izquierda 102 y entra en la fase de posicionamiento (es decir, Tiempo T1), la unidad de energía 201 provoca que el accionador de cadera 145 del soporte de pierna derecha 101 cree un primer par de torsión unidireccional que actúa para mover el soporte de pierna derecha 101 hacia atrás con respecto al tronco 109 del exoesqueleto hasta que el soporte de pierna izquierda 102, que se encuentra en la fase de balanceo, golpea el suelo 130 (es decir, T2). En otras palabras, este primer par de torsión unidireccional, impuesto desde el accionador de cadera 145 sobre el tronco 109 del exoesqueleto, entra en vigor durante el tiempo entre T1 y T2. Este par de torsión empuja el tronco 109 del exoesqueleto en la dirección de velocidad hacia adelante mientras que el soporte de pierna derecha 101 se encuentra en el suelo 130. Los valores suficientemente grandes para este primer par de torsión unidireccional reducirán el esfuerzo del portador y por consiguiente reducirán el gasto de energía y el consumo de oxígeno del portador. T3 representa el tiempo donde el soporte de pierna derecha 101 abandona el suelo 130 y entra en la fase de balanceo. El tiempo entre T2 y T3 se llama doble posicionamiento en este documento ya que ambos soportes de pierna se encuentran en la fase de posicionamiento.
Cuando el soporte de pierna izquierda 102 golpea el suelo 130, la unidad de energía 201 realiza dos operaciones: 1) provoca que el accionador de cadera 146 del soporte de pierna izquierda 102 cree el mismo primer par de torsión unidireccional que actúa para mover el soporte de pierna izquierda 102 hacia atrás con respecto al tronco 109 del exoesqueleto (este par de torsión empuja el tronco 109 del exoesqueleto hacia adelante cuando el soporte de pierna izquierda 102 se encuentra en el suelo), y 2) obliga al accionador de cadera 145 a crear un segundo par de torsión unidireccional que actúa en una dirección para mover el soporte de pierna derecha 101 hacia adelante con respecto al tronco 109 del exoesqueleto. Este segundo par de torsión unidireccional está en vigor hasta que el soporte de pierna derecha 101 abandona el suelo 130 (es decir, T3). T4 representa el tiempo donde el soporte de pierna derecha 101 golpea el suelo 130 de nuevo y vuelve a entrar en su fase de posicionamiento. En algunas realizaciones, después de T3 y antes de T4, donde solo el soporte de pierna está en contacto con el suelo 130, la unidad de energía 201 provoca que el accionador de cadera 145 del soporte de pierna derecha 101 cree un par de torsión de balanceo que actúa en una dirección para mover dicho soporte de pierna derecha 101 hacia adelante con respecto al tronco 109 del exoesqueleto. Los valores suficientemente grandes para este par de torsión de balanceo reducirán el esfuerzo del portador al balancear su pierna y por consiguiente reducirán el gasto de energía y el consumo de oxígeno del portador. Tal como puede verse en la Figura 3, el par de torsión del accionador de cadera 146 es el mismo que el par de torsión del accionador de cadera 145, pero desplazado en el tiempo.
Ya que el segundo par de torsión unidireccional está en vigor solamente durante la doble posicionamiento (entre T2 y T3), el par de torsión total desde ambos accionadores de cadera 145 y 146 aplicado al tronco 109 del exoesqueleto durante la fase de doble posicionamiento será igual a la suma algebraica tanto del primer como del segundo par de torsión unidireccional. En algunas realizaciones de la invención, la magnitud del segundo par de torsión unidireccional es generalmente menor que la magnitud del primer par de torsión unidireccional. Esto asegura que, durante la fase doble posicionamiento, el par de torsión total desde los accionadores de cadera 145 y 146 al tronco 109 del exoesqueleto sea unidireccional, empujando el tronco 109 del exoesqueleto y a la persona 187 hacia adelante.
La Figura 4 muestra el par de torsión total que se impone mediante los accionadores de cadera 145 y 146 sobre el tronco 109 del exoesqueleto durante un ciclo de marcha. Este par de torsión es unidireccional a través del ciclo de marcha, lo que tiene como resultado empujar el tronco 109 del exoesqueleto y a la persona 187 hacia delante, y permite una marcha estable. En otras palabras, la suma de los pares de torsión desde los accionadores de cadera 145 y 146 sobre el tronco 109 del exoesqueleto actúa en la dirección de la extensión de cadera en todo momento. Esto tiene como resultado menos gasto de energía de la persona 187. Un menor consumo de energía tiene como resultado un menor consumo de oxígeno.
En algunas realizaciones de la invención, la suma de los pares de torsión desde los accionadores de cadera 145 y 146 sobre el tronco 109 del exoesqueleto es generalmente constante. En algunas realizaciones de la invención, la suma de los pares de torsión desde los accionadores de cadera 145 y 146 sobre el tronco 109 del exoesqueleto cae a no menos de un 50 % de su valor máximo en cualquier momento, y preferentemente cae a no menos de un 30 % de su valor máximo en cualquier momento. El valor máximo debería entenderse como el máximo par de torsión desde los accionadores de cadera 145 y 146 aplicado al tronco 109 del exoesqueleto en cualquier momento durante el movimiento hacia delante del exoesqueleto. Esto asegura que el usuario pueda andar de manera cómoda sin una gran variación del par de torsión en el tronco 109 del exoesqueleto y el cuerpo superior 149 de la persona.
En algunas realizaciones de la invención, el segundo par de torsión unidireccional es cero. Esto significa que cuando un soporte de pierna golpea el suelo, el accionador de cadera del soporte de pierna opuesto, que ya ha estado sobre el suelo, no crea más par de torsión. Por ejemplo, si el soporte de pierna derecha 101 se encuentra en su fase de posicionamiento y el soporte de pierna izquierda 102 golpea el suelo 130, el accionador de cadera 145 del soporte de pierna derecha 101 dejará de imponer par de torsión.
En algunas realizaciones de la invención, el primer par de torsión unidireccional es generalmente constante, lo que puede tener como resultado una mayor comodidad del usuario. En algunas realizaciones de la invención, el segundo
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par de torsión unidireccional es generalmente constante, lo que puede tener como resultado una mayor comodidad del usuario. En algunas realizaciones de la invención, el primer par de torsión unidireccional disminuye generalmente su valor durante la única fase de posicionamiento (cuando solo un soporte de pierna se encuentra en la fase de posicionamiento), lo que tiene como resultado una mayor comodidad del usuario.
Es importante apreciar que la biomecánica enseña que el par de torsión de la cadera humana durante la fase de posicionamiento es bidireccional. La Figura 5 muestra el par de torsión de la cadera humana medido experimentalmente y tomado de la bibliografía a continuación, “Stair ascent and descent at different inclinations”, Robert Riener, Marco Rabuffetti, Carlo Frigo, Gait and Posture, Volumen 15, Edición 1, Páginas 32-44 (febrero de 2002). Más específicamente, la Figura 5 ilustra que el par de torsión de la cadera humana es positivo durante el posicionamiento primario, pero se vuelve negativo durante la fase de posicionamiento, cambiando su dirección. La presente invención proporciona preferentemente un par de torsión de cadera que es completamente unidireccional durante la fase de posicionamiento, que se ha determinado empíricamente que produce el efecto deseado de reducir el consumo de oxígeno.
En algunas realizaciones de la invención, el par de torsión de balanceo es unidireccional durante la fase de balanceo, balanceando el soporte de pierna hace delante. Para ahorrar energía, en algunas realizaciones de la invención, el par de torsión de balanceo es cero.
En algunas realizaciones de la invención, el par de torsión de balanceo es proporcional a la velocidad angular del soporte de pierna de balanceo (con respecto al tronco 109 del exoesqueleto o al suelo 130) y actúa en una dirección que magnifica la velocidad angular del soporte de pierna de balanceo. En general, si el soporte de pierna 101 se encuentra en la fase de balanceo, el par de torsión de balanceo puede generarse a través de la suma de cualquiera de varios términos, incluyendo: un par de torsión proporcional a la velocidad angular del soporte de pierna 101 en una dirección que incrementa la velocidad angular del soporte de pierna 101; un par de torsión proporcional a la aceleración angular del soporte de pierna 101 en una dirección que incrementa la aceleración angular de soporte de pierna 101 (con respecto al tronco 109 del exoesqueleto o al suelo 130); y un par de torsión proporcional al seno del ángulo de cadera del soporte de pierna 101, que actúa en una dirección para contrarrestar generalmente el par de torsión impuesto sobre el soporte de pierna 101 debido a la gravedad. Por ejemplo, si el accionador de cadera 145 del soporte de pierna 101 se configura para crear un par de torsión de balanceo que incluye un par de torsión proporcional al seno del ángulo de cadera del soporte de pierna 101 y actúa en una dirección para contrarrestar generalmente el par de torsión impuesto sobre el soporte de pierna 101 debido a la gravedad, entonces el portador suministrará un par de torsión mínimo o ningún par de torsión al soporte de pierna 101 para elevar la pierna 101 del exoesqueleto en un sentido estático. En un ejemplo similar, si el accionador de cadera 145 del soporte de pierna 101 se configura para crear un par de torsión de balanceo proporcional a la aceleración angular del soporte de pierna 101 (con respecto al tronco 109 del exoesqueleto o al suelo 130) en una dirección que incrementa la aceleración angular del soporte de pierna 101, entonces la inercia efectiva del soporte de pierna 101 se reduce y el soporte de pierna 101 se vuelve más fácil de acelerar (se vuelve más ligero), lo que es particularmente beneficioso durante la balanceo inicial, cuando la pierna de balanceo debe acelerar rápidamente. Por supuesto, si la constante de proporcionalidad elegida entre la medición y el par de torsión es demasiado grande, el soporte de pierna 101 en la fase de balanceo se volverá inestable. En la práctica, ha demostrado ser mejor determinar experimentalmente una constante de proporcionalidad apropiada.
En algunas realizaciones de la invención, la magnitud del par de torsión de balanceo disminuye generalmente durante el periodo de balanceo para permitir que la pierna desacelere naturalmente al final de la balanceo. Debería entenderse que el periodo de la balanceo significa el tiempo que la pierna se encuentra en la fase de balanceo comenzando con la balanceo temprana, pasando a través de un punto intermedio de la balanceo y acabando en un balanceo tardío. En algunas realizaciones de la invención, el par de torsión de balanceo es casi cero en el balanceo tardío. En algunas realizaciones de la invención, la magnitud del par de torsión de balanceo disminuye por el periodo de balanceo hasta que el par de torsión de balanceo cambia de dirección en el balanceo tardío.
En algunas realizaciones de la invención, cuando el soporte de pierna derecha 101 se encuentra en la única fase de posicionamiento (por ejemplo, el soporte de pierna izquierda 102 se encuentra en la fase de balanceo), el primer par de torsión unidireccional puede ser una suma que incluye un componente proporcional al negativo del par de torsión de balanceo que se genera mediante el accionador de cadera 146 del soporte de pierna 102. En algunas realizaciones, este componente será igual al negativo del par de torsión de balanceo que se genera mediante el accionador de cadera 146 del soporte de pierna 102.
En algunas realizaciones, cada uno de los accionadores de cadera 145 y 146 comprende un accionador de cadera hidráulico. En estas realizaciones, al menos una unidad de energía 201 proporciona energía hidráulica a los accionadores de cadera 145 y 146. En algunas realizaciones, solo una unidad de energía 201 proporciona energía hidráulica a los accionadores de cadera 145 y 146 hidráulicos. En algunas realizaciones, cada accionador de cadera hidráulico recibe energía hidráulica desde unidades de energía separadas. En algunas realizaciones, la unidad de energía 201, tal como se muestra en la Figura 6, entre otros componentes, comprende al menos un circuito hidráulico 194 que puede conectarse al menos a uno de los accionadores de cadera 145 y 146 hidráulicos, y modula el flujo de fluido hidráulico hacia y desde los accionadores de cadera 145 y 146 hidráulicos. En algunas
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realizaciones, los accionadores de cadera 145 y 146 hidráulicos son cilindros de pistón hidráulicos. En algunas realizaciones, los accionadores de cadera 145 y 146 hidráulicos son accionadores hidráulicos rotativos de tipo paleta hidráulica. En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 6, el circuito hidráulico 194, entre otros componentes, comprende una bomba hidráulica 240 acoplada a un motor eléctrico 241.
Al controlar el motor eléctrico 241, el perfil de par de torsión de la Figura 3 puede implementarse en los accionadores de cadera 145 y 146. Ya que el par de torsión es una función de la presión hidráulica y la geometría del accionador de cadera, el par de torsión del accionador de cadera puede controlarse creando un control de bucle cerrado en el motor eléctrico 241 midiendo la presión hidráulica como la variable de retroalimentación. En algunas realizaciones, el par de torsión del accionador de cadera puede controlarse para seguir la trayectoria de la Figura 3 creando un control de bucle cerrado en el motor eléctrico 241 midiendo el par de torsión o la fuerza del accionador de cadera como la variable de retroalimentación.
En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 7, el circuito hidráulico 194, entre otros componentes, comprende además una válvula accionada 200 de restricción de flujo capaz de redirigir el fluido hidráulico desde el accionador de cadera derecha 145 hidráulico alrededor de la bomba hidráulica 240. Durante el funcionamiento, cuando la bomba hidráulica 240 está en uso, se cierra la válvula accionada 200 de restricción de flujo. Durante el funcionamiento, cuando es necesario reducir el consumo de energía, el motor eléctrico 241 no recibe energía. En ese caso, la válvula accionada 200 de restricción de flujo puede abrirse para que el motor eléctrico 241 sin energía y la bomba 240 no impidan el movimiento del accionador de cadera derecha 145.
En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 8, el circuito hidráulico 194, entre otros componentes, comprende además una válvula de triple paso 242. Durante el funcionamiento, mientras que la unidad de energía 201 proporciona energía hidráulica al accionador de cadera derecha 145, la válvula de triple paso 242 conecta el accionador de cadera derecha 145 hidráulico con la bomba hidráulica 240. Durante el funcionamiento, cuando es necesario reducir el consumo de energía, el motor eléctrico 241 no recibe energía. En ese caso, la válvula de triple paso 242 puede redirigir el fluido hidráulico desde el accionador de cadera derecha 145 hidráulico alrededor de la bomba hidráulica 240 para que el motor eléctrico 241 sin energía y la bomba 240 no impidan el movimiento del accionador de cadera derecha 145.
Los accionadores de cadera 145 y 146 hidráulicos pueden comprender cualquier accionador hidráulico o combinación de accionadores capaz de convertir fluido hidráulico presurizado en fuerza o par de torsión. Los ejemplos de accionadores hidráulicos incluyen, sin limitación, cilindros de pistón hidráulicos y lineales, accionadores hidráulicos rotativos, accionadores rotativos de tipo piñón y cremallera, y accionadores hidráulicos rotativos de tipo paleta donde el fluido hidráulico presurizado, al empujar contra superficies móviles, genera fuerza o par de torsión. La válvula accionada 200 de restricción de flujo comprende cualquier válvula o combinación de válvulas capaz de realizar las funciones indicadas. Los ejemplos de la válvula accionada 200 de restricción de flujo incluyen, sin limitación, una válvula de control de flujo, una válvula de control de presión, válvulas de aguja accionadas, válvulas solenoide y una válvula de abrir-cerrar.
La bomba hidráulica 240 comprende cualquier bomba o combinación de bombas capaz de realizar las funciones indicadas. Los ejemplos de la bomba hidráulica 240 incluyen, sin limitación, una bomba de engranajes, una bomba de paletas, una bomba de pistón axial, y una bomba de pistón radial.
El motor eléctrico 241 comprende cualquier dispositivo o combinación de dispositivos capaz de accionar la bomba hidráulica 240. Los ejemplos del motor 241 incluyen, sin limitación, motores eléctricos, que incluyen, sin limitación, motores AC (corriente alterna), motores DC (corriente directa) de tipo escobilla, motores DC sin escobillas, motores conmutados electrónicamente (ECM), motores paso a paso, y combinaciones de los mismos. Aunque se afirma que el motor eléctrico 241 gira la bomba hidráulica 240, un experto en la materia puede apreciar que tanto el motor 241 como la bomba hidráulica 240 pueden tener otros tipos de acoplamientos no rotativos, tales como movimiento lineal alternativo.
En algunas realizaciones de la invención, el exoesqueleto 100 de extremidad inferior comprende al menos un procesador de señales 159 capaz de controlar los accionadores de cadera 145 y 146. El procesador de señales 159 comprende un elemento o combinación de elementos seleccionados del grupo que consiste en dispositivos analógicos; módulos de computación analógicos; dispositivos digitales incluyendo, sin limitación, circuitos integrados de pequeña, mediana y gran escala, circuitos integrados de aplicación específica, matrices de puertas programables, matrices lógicas programables; relés electromecánicos, interruptores de estado sólido, interruptores MOSFET y módulos de computación digital incluyendo, sin limitación, microordenadores, microprocesadores, microcontroladores, y controladores lógicos programables. Durante el funcionamiento, para disminuir el consumo de oxígeno del portador, el procesador de señales 159 computa un perfil de par de torsión que sigue el perfil de par de torsión mostrado en la Figura 3. Este par de torsión se produce entonces mediante los accionadores de cadera 145 y 146 durante sus respectivas fases de posicionamiento.
En algunas realizaciones donde los accionadores de cadera 145 y 146 son accionadores hidráulicos, el procesador de señales 159, al controlar el motor eléctrico 241, computa un perfil de par de torsión, tal como se muestra en la
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Figura 3, para los accionadores de cadera 145 y 146. Ya que el par de torsión es una función de la presión hidráulica y de la geometría del accionador de cadera, el par de torsión del accionador de cadera, en algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 8, puede controlarse creando un control de bucle cerrado en el motor eléctrico 241 midiendo la presión hidráulica como la variable de retroalimentación. El sensor de presión 236 mide la presión del fluido hidráulico y el procesador de señales 159 asegura que la presión se regula hasta el valor deseado. En algunas realizaciones, el par de torsión del accionador de cadera puede controlarse para seguir la arquitectura de la Figura 3 creando un control de bucle cerrado en el motor eléctrico 241 midiendo el par de torsión o la fuerza del accionador de cadera como la variable de retroalimentación.
El procesador de señales 159, en algunas realizaciones, se monta en el tronco 109 del exoesqueleto. En otras realizaciones, el procesador de señales 159 se ubica dentro de la unidad de energía 201. El procesador de señales 159 puede ser un simple dispositivo mecánico constituido por un circuito hidráulico o neumático o también puede incluir elementos electrónicos.
En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 9, el exoesqueleto 100 de extremidad inferior comprende al menos un sensor de posicionamiento por cada soporte de pierna, que produce una señal de posicionamiento que indica si ese soporte de pierna se encuentra en la fase de posicionamiento. Por ejemplo, el soporte de pierna 101 incluye un sensor de posicionamiento 160, que produce una señal de posicionamiento 219. La señal de posicionamiento 219 indica si el soporte de pierna 101 se encuentra en la fase de posicionamiento. De manera similar, en la realización de la Figura 6, el soporte de pierna 102 incluye el sensor de posicionamiento 161, que produce una señal de posicionamiento 220. La señal de posicionamiento 220 indica si el soporte de pierna 102 se encuentra en la fase de posicionamiento. En algunas realizaciones, los sensores de posicionamiento 160 y 161 se acoplan a los soportes de pierna 101 y 102 de los enlaces de pierna, respectivamente. Durante el funcionamiento, el procesador de señales 159 computa un perfil de par de torsión de acuerdo con la forma de la Figura 3 dependiendo de si las señales de posicionamiento 219 y 220 indican si los soportes de pierna 101 y 102 se encuentran en la fase de posicionamiento o en la fase de balanceo. En algunas realizaciones, los sensores de posicionamiento 160 y 161 se ubican dentro de las plantillas del zapato (o bota) del humano. En algunas realizaciones, los sensores de posicionamiento 160 y 161 se ubican dentro de los zapatos o botas del humano. En algunas realizaciones, los sensores de posicionamiento 160 y 161 pueden conectarse con la parte inferior de los zapatos o botas del humano.
Además, al examinar la geometría del exoesqueleto mostrado en la Figura 1, el tronco 109 del exoesqueleto, además de otros componentes, comprende dos enlaces de cadera 114 y 115 que pueden conectarse de manera rotativa con enlaces de muslo 103 y 104 en articulaciones 125 y 126 de flexión-extensión de cadera, permitiendo la flexión y extensión de los soportes de pierna 101 y 102 alrededor de los ejes 151 y 152 de flexión-extensión de cadera respectivamente. En algunas realizaciones, los enlaces de cadera 114 y 115 se conectan de manera rotativa entre sí en la articulación 113 de abducción-aducción de cadera, permitiendo la abducción y/o aducción de los soportes de pierna 101 y 102. La abducción y aducción de los soportes de pierna 101 y 102 se muestra mediante las flechas 217 y 218, respectivamente.
La Figura 10 muestra otra realización de la invención donde el tronco 109 del exoesqueleto comprende además un elemento elástico de cadera 116 configurado para aplicar un par de torsión entre los enlaces de cadera 114 y 115. Los ejemplos de un elemento elástico de cadera incluyen, sin limitación, un resorte de extensión, un resorte de compresión, una ballesta, un resorte de gas, un resorte de aire, caucho, un elastómero, un tubo quirúrgico, una cuerda de resortes y combinaciones de los mismos. La rigidez del elemento elástico de cadera 116 puede elegirse de manera que su fuerza generalmente sostenga el peso de los soportes de pierna 101 y 102 durante una fase de balanceo.
En algunas realizaciones, el tronco 109 del exoesqueleto se configura para sostener una carga trasera 118 detrás de la persona 187. La Figura 11 es un dibujo en perspectiva en el que el tronco 109 del exoesqueleto, entre otros componentes, comprende además un soporte de conexión 117 configurado para transferir el peso de una carga trasera 118 al tronco 109 del exoesqueleto.
En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 12, el soporte de conexión 117 comprende además armazones de extensión 119 y 120, configurados para sostener la carga delantera 154 enfrente de la persona 187. Los ejemplos de la carga trasera 118 y la carga delantera 154 incluyen, sin limitación, mochilas, cargadores de bebé, envases de comida, sacos, cajas, jarras de agua, cajas de herramientas, barriles, munición, armas, ropa de cama, suministros de primeros auxilios, bolsas de golf, sacas de correos, cámaras, estabilizadores de cámara, sopladores de hojas, compresores, maquinaria electromecánica y combinaciones de los mismos. En algunas realizaciones, la carga trasera 118 y/o la carga delantera 154 pueden constituirse mediante otra persona transportada por la persona
187. En algunas realizaciones, el tronco 109 del exoesqueleto soporta una porción del peso de la persona 187 a través del dispositivo de interfaz 150 de cuerpo superior humano.
Algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 13, también pueden incluir un tope de abducción de cadera 211, que limita o evita que los enlaces de cadera 114 y 115 se abduzcan uno con respecto a otro. En la realización particular mostrada en la Figura 13, el tope de abducción de cadera 211 se crea usando un cable. El tope de abducción de cadera 211 de cable evita que ocurra la abducción de los soportes de pierna 101 y 102 más allá de
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cierto ángulo, pero permite la aducción de los soportes de pierna 101 y 102.
De acuerdo con otra realización de la invención, la Figura 14 es un dibujo en perspectiva donde el tronco 109 del exoesqueleto incluye dos enlaces de cadera 114 y 115 que pueden conectarse de manera rotativa con enlaces de muslo 103 y 104, permitiendo la flexión y extensión de los soportes de pierna 101 y 102 con respecto al tronco 109 del exoesqueleto, en el que los enlaces de cadera 114 y 115 se conectan de manera complaciente entre sí, permitiendo la abducción y/o aducción de los soportes de pierna 101 y 102. En el ejemplo mostrado en la Figura 14, esto se logra mediante una ballesta que actúa como elemento elástico de cadera 153.
De acuerdo con otra realización de la invención, la Figura 15 es un dibujo en perspectiva en el que el tronco 109 del exoesqueleto, entre otros componentes, comprende además un soporte de conexión 117 configurado para transferir el peso de una carga trasera 118 al tronco 109 del exoesqueleto. El tronco 109 del exoesqueleto comprende además dos enlaces de cadera 114 y 115 que pueden conectarse de manera rotativa con enlaces de muslo 103 y 104, permitiendo la flexión y extensión de los soportes de pierna 101 y 102 con respecto al tronco 109 del exoesqueleto. Los enlaces de cadera 114 y 115 se conectan de manera rotativa al soporte de conexión 117 por medio de dos articulaciones 176 y 177 de abducción-aducción de cadera y rotan alrededor de dos ejes 178 y 179 de abducción-aducción de cadera. En algunas realizaciones, los ejes 178 y 179 de abducción-aducción de cadera son generalmente paralelos entre sí. En algunas realizaciones, las articulaciones 176 y 177 de abducción-aducción de cadera coinciden entre sí. Además, en algunas realizaciones, tal como se muestra en las Figuras 9-12, las articulaciones 176 y 177 de abducción-aducción de cadera coinciden entre sí formando una articulación 113 de abducción-aducción de cadera, mientras que los ejes 178 y 179 de abducción-aducción de cadera se convierten en un eje 112 de abducción-aducción de cadera.
En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 16, el tronco 109 del exoesqueleto comprende además elementos elásticos 121 y 122 de abducción-aducción de cadera configurados para aplicar pares de torsión entre los enlaces de cadera 114 y 115 y el soporte de conexión 117. Los ejemplos de los elementos elásticos de abducciónaducción de cadera incluyen, sin limitación, un resorte de extensión, un resorte de compresión, un resorte de gas, un resorte de aire, caucho, un tubo quirúrgico, una ballesta, una cuerda de resortes y combinaciones de los mismos. La rigidez de los elementos elásticos 121 y 122 de abducción-aducción de cadera puede elegirse de manera que su fuerza sostenga generalmente el peso de los soportes de pierna 101 o 102 durante la fase de balanceo y ayude a la persona a mantener la carga orientada verticalmente durante la marcha.
En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 17, los enlaces de cadera 114 y 115 se conectan de manera complaciente al soporte de conexión 117. En la realización mostrada en la Figura 17, esto se logra mediante un elemento elástico de cadera 153, que en este caso es una ballesta.
En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 17, el tronco 109 del exoesqueleto comprende un armazón de mochila 180 que permite que una mochila se acople al exoesqueleto 100 de extremidad inferior. En algunas realizaciones, el armazón de mochila 180 se conecta con el soporte de conexión 117. Los dispositivos de interfaz 150 de cuerpo superior (tales como un cinturón y tirantes) se han omitido en esta figura por motivos de claridad; sin embargo, los dispositivos de interfaz 150 de cuerpo superior, en algunas realizaciones, pueden acoplarse al armazón de mochila 180 o al soporte de conexión 117.
De acuerdo con otra realización, la Figura 18 es un dibujo en perspectiva en el que los soportes de pierna 101 y 102 incluyen además articulaciones 123 y 124 de abducción-aducción de muslo, que se configuran para permitir la abducción y/o aducción de los soportes de pierna 101 y 102 alrededor de los ejes 202 y 203 de abducción-aducción de muslo, respectivamente. En algunas realizaciones, las articulaciones 123 y 124 de abducción-aducción de muslo se ubican por debajo de las articulaciones 125 y 126 de flexión-extensión de cadera. Estas articulaciones se muestran en mayor detalle en la Figura 19, que es una vista parcial de la misma realización de la Figura 18.
En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 19, el soporte de pierna derecha 101 incluye un tope de aducción de muslo 185, que limita o evita que el enlace de muslo derecho 103 se aduzca en las articulaciones 123 y 124 de abducción-aducción de muslo. La abducción y aducción del soporte de pierna derecha 101 se muestra mediante flechas 227 y 228, respectivamente. En la realización particular mostrada en la Figura 19, la articulación 123 de abducción-aducción de muslo derecho incluye un tope de aducción de muslo 185, que se soporta en una superficie 186 de tope de muslo. El tope de aducción de muslo 185 limita la aducción de la articulación 123 de abducción-aducción de muslo. La aducción no restringida de la articulación 123 de abducción-aducción de muslo durante la fase de posicionamiento provocaría que el enlace de cadera derecha 114 se moviera hacia abajo a lo largo de la flecha 204 durante la posicionamiento, por tanto, dejando caer (haciendo descender) la carga. Tales articulaciones de solo abducción para las articulaciones 123 y 124 de abducción-aducción de muslo son útiles ya que permiten que la persona se ponga en cuclillas de manera natural. En algunas realizaciones, como las mostradas en las Figuras 18 y 19, tales articulaciones de abducción se ubican generalmente por debajo de las articulaciones 125 y 126 de flexión-extensión de cadera.
En algunas realizaciones, tal como se muestra en las Figuras 18 y 19, los soportes de pierna 101 y 102 incluyen además articulaciones 127 y 128 de rotación de pierna, configuradas para permitir la rotación de los soportes de
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pierna 101 y 102. Las articulaciones 127 y 128 de rotación de pierna se ubican generalmente por encima de las articulaciones de rodilla 107 y 108. Las líneas 164 y 165 representan los ejes de rotación de pierna de las articulaciones 127 y 128 de rotación de pierna. En las Figuras 19 y 20, esto se logra proporcionando un contacto deslizante entre el árbol 166 de rotación de cadera derecha y el muñón 168 de rotación de cadera derecha. Las piezas incluidas en la articulación, que evitan que se desarme, se han omitido por motivos de simplicidad, pero un experto en la materia apreciará que existen muchas maneras de retener tales árboles en tales muñones.
En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 20, las articulaciones 127 y 128 de rotación de pierna comprenden además un elemento elástico de rotación 129. Este elemento elástico de rotación 129 actúa como un resorte de torsión y proporciona un par de torsión de restauración que generalmente restaura el soporte de pierna de vuelta a la posición neutral mostrada en la Figura 18 desde una posición extendida. El elemento elástico de rotación 129 puede construirse de muchas maneras, siendo ventajosa la sección transversal particular mostrada en la Figura 20 cuando se usa un material elastomérico para construir el elemento. El elemento elástico de rotación 129 se muestra parcialmente desviado por motivos de ilustración.
Además, en algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 19 y la Figura 20, los soportes de pierna 101 y 102 comprenden además mecanismos de compresión-alargamiento 131 y 132 configurados para cambiar la distancia entre el tronco 109 del exoesqueleto y las respectivas articulaciones 107 y 108 de flexión-extensión de rodilla. En algunas realizaciones, los mecanismos de compresión-alargamiento 131 y 132 permiten cambios en la distancia entre las articulaciones 125 y 126 de flexión-extensión de cadera y las respectivas articulaciones 107 y 108 de flexión-extensión de rodilla. Los mecanismos de compresión-alargamiento se contraen mediante el deslizamiento del árbol 166 de rotación de cadera derecha más a fondo dentro del muñón 168 de rotación de cadera derecha (mostrado solamente para el soporte de pierna derecha 101). Se permite que el elemento elástico 129 de rotación de pierna se deslice dentro de una cavidad 170 de aclaramiento. En algunas realizaciones, los mecanismos de compresión-alargamiento 131 y 132 comprenden además un elemento elástico 133 de compresión-alargamiento de pierna derecha. Este elemento elástico de compresión-alargamiento de pierna actúa como un resorte y proporciona una fuerza restauradora que generalmente restaura el soporte de pierna de vuelta a una configuración neutral desde una configuración extendida. En la realización de la Figura 20, esto se ilustra mediante un resorte de compresión helicoidal.
En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 18, la cubierta 171 del mecanismo de cadera del exoesqueleto puede cubrir algunos componentes del exoesqueleto incluyendo piezas de los enlaces de cadera 114 y 115, el elemento elástico de cadera 153 o los elementos elásticos de cadera 121 y 122 de abducción-aducción.
En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 18, los soportes de pierna 101 y 102 comprenden además pies 139 y 140 del exoesqueleto acoplados a enlaces de pierna 105 y 106, respectivamente, permitiendo la transferencia de fuerzas desde los enlaces de pierna 105 y 106 al suelo. Durante el funcionamiento, los pies 139 y 140 del exoesqueleto pueden configurarse para acoplarse a los pies de la persona 187. En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 18, el acoplamiento a los pies de la persona se logra usando anclajes 205 y 206 de tipo concha de almeja, tales como los encontrados en ocasiones en raquetas de nieve modernas. Sin embargo, existe un gran número de métodos para realizar tal conexión, tal como puede verse en diferentes tipos de esquís de nieve, tablas de snowboard, raquetas de nieve y otros de tales dispositivos. En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 21, los pies 139 y 140 del exoesqueleto comprenden zapatos 188 y 189 del exoesqueleto, que puede ponerse una persona 187, permitiendo por tanto que los pies 139 y 140 del exoesqueleto se acoplen a los pies de la persona 187. En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 22, los pies 139 y 140 del exoesqueleto comprenden plantillas 157 y 158 del exoesqueleto, que pueden insertarse dentro de los zapatos de la persona, permitiendo que los pies 139 y 140 del exoesqueleto se acoplen a los pies de la persona 187. Las plantillas 157 y 158 son flexibles y por tanto pueden doblarse para coincidir con la curvatura del pie humano durante maniobras como ponerse en cuclillas. Además, los soportes laterales 212 de las plantillas se adaptan o configuran para incluir grados de libertad para imitar el movimiento del tobillo humano.
En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 18, los pies 139 y 140 del exoesqueleto se acoplan de manera complaciente a los enlaces de pierna 105 y 106. Esto se logra usando elementos elásticos 181 y 182 de tobillo. La Figura 23 muestra una vista en primer plano del pie 139 derecho del exoesqueleto. En este ejemplo, el elemento elástico 181 del tobillo derecho se construye de una articulación 231 esférica de metal rodeada mediante un elemento elastomérico 230 con forma de rosquilla, que crea elasticidad en todas las direcciones de rotación.
En algunas realizaciones, los pies 139 y 140 del exoesqueleto rotan alrededor de dos ejes de flexión plantar-dorsal con respecto a los enlaces de pierna 105 y 106. La Figura 24 muestra una realización de este tipo de exoesqueleto donde el eje de flexión 172 plantar-dorsal del tobillo derecho es generalmente paralelo al eje de flexión plantar-dorsal en el tobillo humano. En algunas realizaciones, cada soporte de pierna comprende además al menos un elemento elástico 141 de flexión plantar-dorsal del tobillo que resiste la rotación del pie respectivo del exoesqueleto alrededor del eje de flexión 172 plantar-dorsal del tobillo derecho.
En algunas realizaciones, los pies 139 y 140 del exoesqueleto rotan alrededor de dos ejes de abducción-aducción del tobillo con respecto a los enlaces de pierna 105 y 106. La Figura 25 muestra una realización de este tipo de
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exoesqueleto donde el eje 174 de abducción-aducción del tobillo derecho es generalmente paralelo al eje de abducción-aducción en el tobillo humano. En algunas realizaciones, cada soporte de pierna comprende además al menos un elemento elástico 142 de abducción-aducción del tobillo que resiste la rotación del pie 139 derecho del exoesqueleto alrededor del eje 174 de abducción-aducción del tobillo derecho.
En algunas realizaciones, los pies 139 y 140 del exoesqueleto rotan alrededor de dos ejes 147 y 148 de rotación del tobillo con respecto a los enlaces de pierna 105 y 106. En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 26, esto se logra usando una articulación 207 de rotación de pierna, que funciona de manera similar a la articulación 127 de rotación de pierna. La Figura 26 muestra una realización de este tipo de exoesqueleto donde el eje 147 de rotación del tobillo derecho es generalmente paralelo al eje de rotación en el tobillo humano. En algunas realizaciones, pueden incluirse elementos elásticos en el tobillo para resistir la rotación del pie 139 derecho del exoesqueleto alrededor del eje 147 de rotación del tobillo derecho.
Los ensayos metabólicos muestran que el consumo de oxígeno se reduce cuando se usa el exoesqueleto 100 para soportar una carga en comparación con soportar una carga sin el exoesqueleto 100. En la Figura 27 se resumen cuatro ensayos. En cada ensayo, se llevó puesto un chaleco de 14,3 kg en la parte delantera (colgado del exoesqueleto 100 durante los ensayos de exoesqueleto) y 21,1 kg de carga se unieron a una mochila de armazón externo (unida al exoesqueleto 100 durante los ensayos de exoesqueleto), con el centro de gravedad de la mochila a aproximadamente 20 cm detrás de la espalda del sujeto. Adicionalmente, los sujetos llevaron puesto un casco de 1,4 kg (no soportado mediante el exoesqueleto 100). Cada ensayo se ejecutó durante 10 minutos, y se promediaron los últimos dos minutos de datos. El exoesqueleto 100 creó un perfil de par de torsión tal como se ha descrito anteriormente. El índice metabólico de cada sujeto disminuyó aproximadamente un 14 % cuando se usó el exoesqueleto 100 en comparación con cuando no se usó el exoesqueleto 100.
En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 28, los sensores de posicionamiento 160 y 161 se integran en los pies 139 y 140 del exoesqueleto. En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 28, el sensor de posicionamiento 160 es un sensor de presión, que mide la presión en un medio 191, atrapado en una cavidad 192 del sensor de posicionamiento dentro del pie 139 derecho del exoesqueleto. La Figura 23 muestra una realización donde se usa un tubo como cavidad 192 del sensor de posicionamiento. En algunos casos, las señales de posicionamiento 219 y 220 pueden adoptar la forma del medio 191 transportado en un pequeño tubo desde la cavidad 192 del sensor de posicionamiento al procesador de señales 159.
La Figura 29 muestra otra realización en la que el sensor de posicionamiento 160 es un sensor de fuerza que puede conectarse con el pie 139 derecho del exoesqueleto. En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 30, el sensor de posicionamiento 160 se ubica dentro del pie humano como una plantilla, y su señal de salida representa la fuerza en la parte inferior del pie humano. Este tipo sería particularmente útil en realizaciones de la invención tales como las mostradas en la Figuras 21 y 22. En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 31, el sensor de posicionamiento 160 se conecta con la parte inferior del pie humano y detecta la fuerza en la parte inferior del pie humano. En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 32, el sensor de posicionamiento 160 se ubica dentro de la planta del pie humano y detecta la fuerza en la parte inferior del pie humano. En algunas realizaciones, los sensores de posicionamiento 160 y 161 se acoplan a enlaces de pierna 105 y 106, respectivamente.
El sensor de posicionamiento 160 comprende cualquier sensor o combinación de sensores capaz de realizar las funciones indicadas. Los ejemplos del sensor de posicionamiento incluyen, sin limitación, sensores de fuerza, sensores de fuerza basados en galga extensiométrica, sensores de fuerza piezoeléctricos, resistores de detección de fuerza, sensores de presión, interruptores, interruptores de cinta y combinaciones de los mismos. En algunas realizaciones, el sensor de posicionamiento 160 es un interruptor que representa la existencia de una fuerza mayor que cierta fuerza de umbral en la parte inferior del pie de la persona 187.
Además, en la Figura 33 se muestra una articulación 235 adicional de abducción-aducción de muslo, que se incluye para permitir que la pierna se coloque en una posición vertical cuando el exoesqueleto no se usa, pero necesita soportarse. El soporte de pierna derecha 101 puede abducirse a lo largo de un eje 237 adicional de abducciónaducción de muslo derecho (mostrado en la Figura 34). Esto puede ser aconsejable si la persona 187 ya no tiene que soportar una carga muy pesada, pero necesita transportar el exoesqueleto 100 de extremidad inferior. En ese caso, el operador puede desatar el soporte de pierna derecha 101 del exoesqueleto y balancear la pierna hacia fuera de su cuerpo hasta que el pie 139 derecho del exoesqueleto se encuentre en el aire por encima de la cabeza del operador. Después, doblando la articulación de rodilla 107 derecha y/o rotando la articulación 127 de rotación de pierna derecha, la pierna puede colocarse de manera que se ubique detrás del operador tal como se muestra en la Figura 33. Esto es posible ya que la articulación 123 de abducción-aducción de muslo derecho y la articulación 235 adicional de abducción-aducción de muslo derecho permiten una rotación de aproximadamente noventa grados alrededor del eje 202 de abducción-aducción de muslo derecho y el eje 237 adicional de abducción-aducción de muslo derecho, respectivamente. Por tanto, la abducción total posible es superior a 180 grados. Esto podría lograrse con una articulación de abducción-aducción de muslo que tenga 180 grados de recorrido, pero diseñar tal articulación provocaría que el diseñador moviera el punto de pivote de la articulación hacia fuera del operador en gran medida, lo que tendría como resultado un diseño de exoesqueleto más ancho. Esto no es aconsejable, pero es un diseño alternativo viable.
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En algunas realizaciones, el exoesqueleto 100 de extremidad inferior (tal como se muestra en la Figura 1) comprende dos generadores de par de torsión 110 y 111, que se configuran para permitir la flexión de las articulaciones de rodilla 107 y 108 durante la fase de balanceo y resistir la flexión de las articulaciones de rodilla 107 y 108 durante la fase de posicionamiento, permitiendo por tanto que el exoesqueleto 100 de extremidad inferior soporte una carga y transfiera las fuerzas de carga (por ejemplo, peso de carga) al suelo.
En algunas realizaciones, los generadores de par de torsión 110 y 111 son generadores hidráulicos de par de torsión. De acuerdo con algunas realizaciones, los generadores de par de torsión 110 y 111 son cilindros de pistón hidráulicos donde el movimiento del pistón con respecto al cilindro crea un flujo de fluido hidráulico dentro y fuera del cilindro. Durante el funcionamiento, el flujo de fluido hidráulico dentro y fuera del cilindro puede controlarse mediante una válvula hidráulica. Cuanto más pequeño sea el tamaño del orificio de la válvula hidráulica, más fuerza se necesitará para mover el pistón con respecto al cilindro con una velocidad determinada. En otras palabras, cuanto más amortiguado deba estar el movimiento del pistón con respecto al cilindro, más pequeño debería ser el tamaño del orificio de la válvula hidráulica. Si el tamaño del orificio de la válvula hidráulica es grande, entonces se necesita una pequeña fuerza para mover el pistón con respecto al cilindro. En este caso, la impedancia de los generadores de par de torsión 110 y 111 hidráulicos se define como la proporción de la fuerza necesaria respecto a la velocidad en dominio de frecuencia. Con esta definición, cuanto más pequeño sea el tamaño del orificio de la válvula hidráulica, más grande será la impedancia del generador de par de torsión hidráulico.
En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 35, los generadores de par de torsión 110 y 111 son amortiguadores rotativos hidráulicos donde el par de torsión producido puede controlarse mediante una válvula hidráulica. Cuanto más pequeño sea el tamaño del orificio de la válvula hidráulica, más par de torsión será necesario para rotar el amortiguador rotativo hidráulico con una velocidad determinada. En otras palabras, cuanto más amortiguada deba estar la rotación del amortiguador rotativo hidráulico, más pequeño debería ser el tamaño del orificio de la válvula hidráulica. En este caso, la impedancia de los amortiguadores rotativos hidráulicos 110 y 111 se define como la proporción del par de torsión necesario respecto a la velocidad angular en domino de frecuencia. Con esta definición, cuanto más pequeño sea el tamaño del orificio de la válvula hidráulica, mayor será la impedancia del amortiguador rotativo hidráulico.
En algunas realizaciones, los generadores de par de torsión 110 y 111 son frenos de fricción donde se puede controlar el par de torsión resistivo en las articulaciones de rodilla 107 y 108 controlando los pares de torsión de fricción. En otras realizaciones, los generadores de par de torsión 110 y 111 son frenos de fricción basados en viscosidad donde se puede controlar el par de torsión resistivo en las articulaciones de rodilla 107 y 108 controlando la viscosidad del fluido. En otras realizaciones, los generadores de par de torsión 110 y 111 son Dispositivos de Fluido Magnetoreológico donde se puede controlar el par de torsión resistivo en las articulaciones de rodilla 107 y 108 controlando la viscosidad del Fluido Magnetoreológico. Un experto en la materia apreciará que cualquiera de los anteriores dispositivos puede montarse en la invención para funcionar de una manera correspondiente con los amortiguadores rotativos hidráulicos mostrados en la Figura 35.
En algunas realizaciones, el procesador de señales 159 se configura para controlar los generadores de par de torsión 110 y 111. El procesador de señales 159 controla la resistencia a la flexión en las articulaciones de rodilla 107 y 108 como una función de las señales de posicionamiento 219 y 220. Por ejemplo, cuando el sensor de posicionamiento 160 derecho detecta la fase de posicionamiento en el soporte de pierna derecha 101, el procesador de señales 159 incrementará la impedancia del generador de par de torsión 110 derecho para que la articulación de rodilla 107 derecha se resista a la flexión. En cambio, cuando el sensor de posicionamiento 160 derecho detecta la fase de balanceo en el soporte de pierna derecha 101, el procesador de señales 159 disminuirá la impedancia del generador de par de torsión 110 derecho para que no ocurra ninguna resistencia a la flexión en la articulación de rodilla 107 derecha. De manera similar, cuando el sensor de posicionamiento 160 detecta la fase de posicionamiento en el soporte de pierna izquierda 102, el procesador de señales 159 incrementará la impedancia del generador de par de torsión 111 izquierdo para que la articulación de rodilla 108 izquierda se resista a la flexión. En cambio, cuando el sensor de posicionamiento 161 izquierdo detecta la fase de balanceo en el soporte de pierna izquierda 102, el procesador de señales 159 disminuirá la impedancia del generador de par de torsión 111 izquierdo para que no ocurra ninguna resistencia a la flexión en la articulación de rodilla 108 izquierda. Las grandes impedancias de los generadores de par de torsión 110 y 111 conducen a una gran resistencia de las articulaciones de rodilla 107 y 108 a la flexión necesaria durante la fase de posicionamiento. En cambio, las pequeñas impedancias de los generadores de par de torsión 110 y 111 conducen a una pequeña resistencia de las articulaciones de rodilla 107 y 108 a la flexión necesaria durante la fase de balanceo. En algunas realizaciones, el procesador de señales 159 se monta en los generadores de par de torsión 110 y 111.
En la práctica, la resistencia a la flexión en las articulaciones de rodilla 107 y 108 durante la fase de posicionamiento no necesita ser constante. En algunas realizaciones, la resistencia a la flexión en el comienzo de la fase de posicionamiento (aproximadamente el primer 20 % del ciclo de posicionamiento) puede ser extremadamente alta (es decir, las articulaciones de rodilla 107 y 108 se bloquearán en el comienzo de la posicionamiento). Durante la parte intermedia de la fase de posicionamiento (aproximadamente el 20 % al 80 % del ciclo de posicionamiento), la resistencia a la flexión puede ser menor, pero lo suficientemente alta como para que las articulaciones de rodilla 107
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y 108 sufran solo unos cuantos grados de flexión. Durante el final del ciclo de posicionamiento (aproximadamente el último 20 % del ciclo de posicionamiento), la resistencia a la flexión puede ser baja, pero sigue sin ser cero, por lo que las articulaciones de rodilla 107 y 108 pueden flexionarse en preparación para el ciclo de balanceo.
En algunas realizaciones, los soportes de pierna 101 y 102 se configuran para permitir la flexión de las articulaciones de rodilla 107 y 108 respectivas durante la fase de balanceo, y para resistirse a la flexión de las articulaciones de rodilla 107 y 108 respectivas durante la fase de posicionamiento, bloqueando las rodillas. Una de tales rodillas de bloqueo se muestra en la Figura 36. En realidad, la Figura 36 muestra el soporte de pierna derecha 101 en dos configuraciones. Más específicamente, el enlace de pierna derecha 105 incluye un tope de pierna 209, que se soporta en el tope de muslo 210 cuando la rodilla está hiperextendida. El ángulo de la articulación de rodilla 107 derecha en hiperextensión se ilustra como A en la Figura 36. Ya que este ángulo es menor de 180 grados, la articulación de rodilla 107 o 108 irá “sobre el centro” cuando se aproxime a la hiperextensión, lo que significa que la rodilla tenderá a bloquearse contra los topes si los soportes de pierna 101 o 102 se someten a un carga compresiva, como sería el caso del soporte de pierna derecha 101 en la situación ilustrada en la Figura 36. Con este reconocimiento, un experto en la materia apreciará que podrían emplearse diversos mecanismos sobre el centro para obligar al vector de carga sobre el soporte de pierna a pasar enfrente de la articulación de rodilla.
En algunas realizaciones, el exoesqueleto 100 de extremidad inferior comprende además elementos elásticos 232 de rodilla, que se configuran para estimular la flexión de las articulaciones de rodilla 107 y 108. Esto disminuye el esfuerzo de la persona necesario para flexionar las articulaciones de rodilla 107 y 108 durante la fase de balanceo. En algunas realizaciones, tal como se muestra en la Figura 37, los elementos elásticos 232 de rodilla están en paralelo con los generadores de par de torsión 110 y 111. En algunas realizaciones, los elementos elásticos 232 de rodilla, tal como se muestra en la Figura 38, están en serie con los generadores de par de torsión 110 y 111. En algunas realizaciones, el exoesqueleto 100 de extremidad inferior comprende elementos elásticos 232 de rodilla, que se configuran para estimular la extensión de las articulaciones de rodilla 107 y 108. En general, de acuerdo con la invención, existen muchos métodos y ubicaciones para la instalación del elemento elástico 232 de rodilla para estimular la flexión y/o extensión de las articulaciones de rodilla 107 y 108. Se entiende además que los elementos elásticos 232 de rodilla también pueden usarse con la realización del exoesqueleto mostrado en la Figura 36.
De acuerdo con los experimentos realizados, el exoesqueleto de la invención disminuye significativamente el consumo de oxígeno de su portador. Durante la evaluación, el consumo de oxígeno de un usuario que anda sin una carga a una velocidad de 2 MPH (3,2 kph) disminuyó un 5 %-12 % al usar el exoesqueleto de la presente invención. Cuando el usuario soportó una carga, el efecto fue más pronunciado. Por ejemplo, el consumo de oxígeno del usuario que llevaba una carga de 36,7 kg (81 libras) a una velocidad de 2 MPH (3,2 kph) disminuyó aproximadamente un 15 % al usar este exoesqueleto para soportar la misma carga. Por tanto, el exoesqueleto de soporte de carga de la invención proporciona una disminución significativa en el consumo de oxígeno del usuario. En cualquier caso, aunque se han descrito diversas realizaciones ejemplares, los expertos en la materia apreciarán que pueden realizarse numerosas variaciones y/o modificaciones en el dispositivo descrito tal como se muestra específicamente en el presente documento sin apartarse del alcance de esa divulgación más amplia. Por tanto, los diversos ejemplos deben considerarse en todos los sentidos como ilustrativos y no restrictivos. En general, la invención solo pretende quedar limitada por el alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims (12)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un exoesqueleto (100) de extremidad inferior, que puede configurarse para acoplarse a una persona, comprendiendo dicho exoesqueleto de extremidad inferior, entre otras cosas:
    5 un tronco (109) del exoesqueleto adaptado para acoplarse a un cuerpo superior de dicho usuario; primeros y segundos soportes de pierna (101, 102) incluyendo cada uno un enlace de muslo (103, 104) respectivo conectado de manera rotativa con el tronco del exoesqueleto, en el que los primeros y segundos soportes de pierna se adaptan para acoplarse a las extremidades inferiores de dicho usuario y para descansar en el suelo en una fase de posicionamiento y para moverse con respecto al suelo en una fase de balanceo; primeros y segundos accionadores de cadera (145, 146) configurados para crear pares de torsión entre dicho tronco (109) del exoesqueleto y dichos primeros y segundos soportes de pierna respectivamente; y al menos una unidad de energía (201), capaz de proporcionar energía a dichos accionadores de cadera, entre otros componentes, caracterizada por que, durante cada ciclo de una marcha regular, dicha unidad de
    15 energía se configura para activar dichos accionadores de cadera de la siguiente manera:
    a) cuando dicho primer soporte de pierna entra en la fase de posicionamiento, dicho accionador de cadera de dicho primer soporte de pierna crea rápidamente un primer par de torsión unidireccional que actúa para mover dicha primera pierna del exoesqueleto hacia atrás con respecto a dicho tronco del exoesqueleto y, por tanto, empujar dicho tronco del exoesqueleto hacia delante hasta que dicho segundo soporte de pierna golpea el suelo, y b) cuando dicho segundo soporte de pierna entra en la fase de posicionamiento, dicho accionador de cadera de dicho segundo soporte de pierna crea rápidamente dicho primer par de torsión unidireccional y dicho accionador de cadera de dicho primer soporte de pierna crea rápidamente un segundo par de
    25 torsión unidireccional que actúa en una dirección para mover dicho primer soporte de pierna hacia delante con respecto a dicho tronco del exoesqueleto hasta que dicho primer soporte de pierna abandona el suelo.
  2. 2.
    El exoesqueleto de extremidad inferior de la reivindicación 1, en el que dicho primer par de torsión unidireccional es generalmente constante y/o dicho segundo par de torsión unidireccional es generalmente constante.
  3. 3.
    El exoesqueleto de extremidad inferior de la reivindicación 1, en el que cuando dicho primer soporte de pierna (101, 102) abandona dicho suelo y entra en su fase de balanceo, dicho accionador de cadera (145, 146) de dicho primer soporte de pierna crea un par de torsión de balanceo que actúa en una dirección para mover dicho primer
    35 soporte de pierna hacia delante con respecto a dicho tronco (109) del exoesqueleto.
  4. 4.
    El exoesqueleto de extremidad inferior de la reivindicación 1, en el que la suma de los pares de torsión desde dichos accionadores de cadera (145, 146) sobre dicho tronco (109) del exoesqueleto actúa en la dirección de la extensión de cadera en todo momento.
  5. 5.
    El exoesqueleto de extremidad inferior de la reivindicación 4, en el que la suma de los pares de torsión desde dichos accionadores de cadera (145, 146) sobre dicho tronco (109) del exoesqueleto es generalmente constante.
  6. 6. El exoesqueleto de extremidad inferior de la reivindicación 3, en el que dicho par de torsión de balanceo es igual a 45 dicho segundo par de torsión unidireccional.
  7. 7.
    El exoesqueleto de extremidad inferior de la reivindicación 3, en el que la magnitud de dicho par de torsión de balanceo disminuye durante el periodo de balanceo hasta que dicho par de torsión de balanceo cambia de dirección en un balanceo tardío.
  8. 8.
    El exoesqueleto de extremidad inferior de la reivindicación 1, que comprende además al menos un sensor de posicionamiento (160, 162) por cada uno de dichos soportes de pierna (101, 102), lo que produce una señal de posicionamiento (219, 220) que indica si dicho soporte de pierna se encuentra en la fase de posicionamiento.
    55 9. Un método de reducción de consumo de oxígeno de una persona durante un ciclo de marcha utilizando un dispositivo de exoesqueleto (100), adaptado para acoplarse a dicha persona, incluyendo al menos una unidad de energía (201), primeros y segundos soportes de pierna (101, 102) conectados de manera rotativa a un tronco (109) del exoesqueleto y configurados para descansar en el suelo durante sus fases de posicionamiento, y primeros y segundos accionadores de cadera (145, 146) configurados para crear pares de torsión entre dicho tronco del exoesqueleto y dichos primeros y segundos soportes de pierna respectivamente, comprendiendo dicho método:
    crear un primer par de torsión unidireccional utilizando dicho primer accionador de cadera, cuando dicho primer soporte de pierna golpea el suelo y entra en la fase de posicionamiento, para mover dicho primer soporte de pierna en la fase de posicionamiento hacia atrás con respecto a dicho tronco del exoesqueleto
    65 empujando por tanto el tronco del exoesqueleto en una dirección hacia delante hasta que dicho segundo soporte de pierna en la fase de balanceo golpea la superficie de soporte;
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    crear un segundo par de torsión unidireccional utilizando dicho primer accionador de cadera, cuando dicho segundo soporte de pierna golpea el suelo y entra en la fase de posicionamiento, para mover dicho primer soporte de pierna en la fase de posicionamiento hacia delante hasta que dicho primer soporte de pierna abandona el suelo y
    5 mover dicho primer soporte de pierna a la fase de balanceo.
  9. 10. El método de la reivindicación 9, en el que mover dicho primer soporte de pierna (101, 102) a la fase de balanceo comprende crear un par de torsión de balanceo, utilizando el primer accionador de cadera (145, 146), que actúa en una dirección para mover dicho primer soporte de pierna hacia delante con respecto a dicho tronco (109)
    10 del exoesqueleto.
  10. 11. El método de la reivindicación 10, en el que dicho par de torsión de balanceo es igual a dicho segundo par de torsión unidireccional.
    15 12. El método de la reivindicación 9, en el que la suma de los pares de torsión desde dichos accionadores de cadera (145, 146) sobre dicho tronco (109) del exoesqueleto actúa en la dirección de la extensión de cadera en todo momento.
  11. 13. El método de la reivindicación 12, en el que la suma de los pares de torsión desde dichos accionadores de 20 cadera (145, 146) sobre dicho tronco (109) del exoesqueleto es generalmente constante.
  12. 14. El método de la reivindicación 10, en el que dicho par de torsión de balanceo es igual a dicho segundo par de torsión unidireccional.
    25 15. El método de la reivindicación 10, en el que la magnitud de dicho par de torsión de balanceo disminuye durante el periodo de balanceo hasta que dicho par de torsión de balanceo cambia de dirección en un balanceo tardío.
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