ES2864374T3

ES2864374T3 - Dispositivo de exoesqueleto de movilidad de pierna con un mecanismo de accionamiento mejorado que emplea un acoplamiento magnético

Info

Publication number: ES2864374T3
Application number: ES18703136T
Authority: ES
Inventors: Ryan Farris; Steven Etheridge; Scott Morrison
Original assignee: Parker Hannifin Corp
Current assignee: Parker Hannifin Corp
Priority date: 2017-02-08
Filing date: 2018-01-17
Publication date: 2021-10-13
Anticipated expiration: 2038-01-17
Also published as: EP3512482A1; US11331241B2; WO2018147981A1; US20210338515A1; EP3512482B1

Abstract

Un dispositivo de movilidad (100) que comprende: un conjunto de actuador (10) que incluye un miembro de accionamiento rotativo (32); un componente accionado (200) que es accionado por el miembro de accionamiento rotativo (32); y un sistema de acoplamiento magnético que comprende un primer acoplamiento magnético (50) en el con- junto de actuador (10) que se acopla magnéticamente a un segundo acoplamiento magnético (202) en el componente accionado (200), el sistema de acoplamiento magnético incluye una pluralidad de elementos magnéticos (52, 210) situados como parte de uno o ambos de los primeros (50) y segundos (202) acopla- mientos magnéticos; en el que el primer acoplamiento magnético (50) tiene una primera superficie de emparejamiento (54) y el segundo acoplamiento magnético (202) tiene una segunda superficie de emparejamiento (206) que se unen cuando el sistema de acoplamiento magnético está en una posición acoplada, caracterizado en que la primera superficie de emparejamiento (54) y la segunda superficie de emparejamiento (206) son superficies de acoplamiento que se estrechan progresivamente opuestas, y la superficie de emparejamiento que se es- trecha progresivamente de la primera superficie de emparejamiento (54) está escalonada con una plurali- dad de crestas (56) y la superficie de emparejamiento que se estrecha progresivamente de la segunda su- perficie de emparejamiento (206) está escalonada con una pluralidad de crestas opuestas (208) en relación con la primera superficie de emparejamiento (54), y las superficies de acoplamiento (54,206) forman una in- terfaz mecánica que resulta en un acoplamiento seguro que impide cualquier movimiento de deslizamiento del componente accionado en relación con el conjunto del actuador (10).

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo de exoesqueleto de movilidad de pierna con un mecanismo de accionamiento mejorado que emplea un acoplamiento magnético

Campo de la invención

La presente invención se refiere a dispositivos de ayuda al movimiento, tales como el dispositivo de movilidad de pierna o dispositivo de "exoesqueleto", y más en particular se refiere a los mecanismos de accionamiento y los com ponentes de acoplamiento para accionar los componentes de las articulaciones de tales dispositivos.

Antecedentes de la invención

Actualmente hay del orden de varios cientos de miles de individuos con lesiones de la médula espinal (SCI) en los Estados Unidos, con aproximadamente 12.000 nuevas lesiones sufridas cada año a una edad promedio de 40,2 años. De estos, aproximadamente el 44% (aproximadamente 5300 casos por año) resultan en paraplejia. Uno de los impedimentos más importantes resultantes de la paraplejía es la pérdida de movilidad, particularmente dada la edad relativamente temprana en la que se producen esas lesiones. Las encuestas realizadas entre usuarios con paraple jia indican que las preocupaciones relativas a la movilidad se encuentran entre las más prevalentes, y que el princi pal deseo de movilidad es la capacidad de caminar y estar de pie. Además del impedimento de la movilidad, la inca pacidad para ponerse de pie y caminar entraña graves efectos fisiológicos, entre ellos la atrofia muscular, la pérdida de contenido mineral óseo, problemas frecuentes de descomposición de la piel, mayor incidencia de infecciones del tracto urinario, espasticidad muscular, trastornos de la circulación linfática y vascular, trastornos del funcionamiento digestivo y reducción de las capacidades respiratorias y cardiovasculares.

En un esfuerzo por restaurar algún grado de movilidad en las piernas de los individuos con paraplejia, se han desa rrollado varias órtesis de miembros inferiores. La forma más simple de estos dispositivos es la órtesis pasiva con dispositivos de sujeción de piernas largas que incorporan un par de órtesis de tobillo - pie (AFO) para proporcionar apoyo en los tobillos, que están acopladas a dispositivos de sujeción de piernas que bloquean las articulaciones de la rodilla en toda su extensión. Las caderas son estabilizadas típicamente por la tensión en los ligamentos y la mus culatura en la parte anterior de la pelvis. Puesto que casi toda la energía para el movimiento es proporcionada por la parte superior del cuerpo, estas órtesis pasivas requieren una considerable fuerza en la parte superior del cuerpo y un alto nivel de esfuerzo físico, y proporcionan velocidades de marcha muy lentas.

La órtesis de guiado de cadera (HGO), que es una variación de los dispositivos de sujeción para piernas largas, incorpora articulaciones de cadera que resisten rígidamente la aducción y abducción de la cadera, y placas de cal zado rígidas que proporcionan una mayor elevación del centro de gravedad en la punta del pie, permitiendo así un mayor grado de progresión hacia adelante por zancada. Otra variación de la órtesis para piernas largas, la órtesis de marcha recíproca (RGO), incorpora una restricción cinemática que une la flexión de la cadera de una piernas con la extensión de la cadera de la otra, típicamente por medio de un conjunto de cable de empujar - traccionar. Al igual que con otras órtesis pasivas, el usuario se inclina hacia adelante contra una ayuda a la estabilidad (por ejemplo, muletas de dispositivo de sujeción o un andador) mientras elimina el peso de la pierna que se balancea y utiliza la gravedad para proporcionar la extensión de la cadera de la pierna de postura. Como el movimiento de las articula ciones de la cadera se acopla recíprocamente mediante el mecanismo de reciprocidad, la extensión de la cadera inducida por la gravedad también proporciona una flexión contra - lateral de la cadera (de la pierna que se balan cea), de modo que aumenta la longitud de avance de la marcha. Una variación del RGO incorpora un acoplamiento variable basado en un circuito hidráulico entre las articulaciones izquierda y derecha de la cadera. Los experimentos con esta variación indican una mejora de la cinemática de la cadera con el acoplamiento hidráulico modulado.

Para disminuir el alto nivel de esfuerzo asociado a las órtesis pasivas, se ha estado desarrollando el uso de órtesis motorizadas, que incorporan actuadores y motores de accionamiento asociados a una fuente de alimentación para ayudar a la locomoción. Se ha demostrado que estas órtesis motorizadas aumentan la velocidad de la marcha y disminuyen los movimientos compensatorios, en relación con caminar sin asistencia motorizada. El uso de las órte sis motorizadas ofrece la oportunidad de controlar electrónicamente las órtesis para mejorar la movilidad del usuario.

Un ejemplo del estado actual de la técnica de los dispositivos de exoesqueleto se muestra en la solicitud internacio nal del solicitante, número de serie PCT/US2015/23624, titulada "Dispositivo robótico portátil", presentada el 31 de marzo de 2015. El citado dispositivo es representativo de un dispositivo de exoesqueleto eficaz y generalmente fácil de usar. Existe una preocupación general para que los dispositivos de exoesqueleto sean compactos y ligeros de peso. Los usuarios de los dispositivos suelen tener impedimentos físicos importantes, y la reducción del tamaño y el peso de los dispositivos de exoesqueleto hace que sean más fáciles de ponérselos y manipularlos de otra manera. Con mayor facilidad, los usuarios pueden experimentar una mayor libertad de movilidad, y pueden reducir la necesi dad de cuidados y asistencia externos.

El mecanismo de accionamiento de los componentes articulares es un aspecto de los dispositivos de exoesqueleto que sigue siendo objeto de preocupación para hacer que los dispositivos de exoesqueleto sean más compactos y ligeros de peso. La reducción del tamaño y el peso debe equilibrarse con el rendimiento con el fin de que el disposi tivo sea más fácil de poner y manipular, sin dejar de proporcionar el par de torsión y las fuerzas de accionamiento adecuadas para el funcionamiento del dispositivo de exoesqueleto.

Un ejemplo de una articulación de conformidad que logra la conformidad pasivo se describe en el documento US2009/233720. La articulación incluye un alojamiento y un miembro rotativo que se disponen de manera que sean mutuamente rotativos, y una leva que se dispone entre el alojamiento y el miembro rotativo y que está conectada al alojamiento y al miembro rotativo respectivamente.

En una reciente encuesta realizada a 354 usuarios de sillas de ruedas y 127 profesionales de la salud, la "facilidad para ponerse y quitarse el dispositivo" fue calificada como "muy importante", y la "portabilidad del dispositivo" fue calificada como "importante". ( Wolff et al, A Survey of Stakeholder Perspectives on Exoskeleton Technology, (Estu dio de las Perspectivas de los Participantes con respecto a la Tecnología de Exoesqueletos), JNER 2014.) Los dis positivos convencionales de movilidad de piernas a menudo incorporan dos dispositivos de sujeción completos de piernas o componentes de piernas conectados rígidamente a un dispositivo de sujeción común de cadera o un com ponente de cadera. Esta disposición convencional de componentes de la parte inferior de la pierna, la parte superior de la pierna y la cadera generalmente se articulará en cada articulación de la rodilla y en cada articulación de la cadera, haciendo que el dispositivo sea incómodo de manejar cuando lo lleva el usuario. Además, el peso de cada segmento puede ser significativo, en particular si se incorporan accionamientos y baterías.

Para hacer frente a la naturaleza engorrosa de un dispositivo de movilidad de piernas completamente montado, un sistema de este tipo puede ser diseñado con componentes modulares que se manejan por separado y se conectan unos a los otros durante el proceso de colocación. En un sistema modular, la facilidad de colocación y retirada y la portabilidad se convierten en cuestiones importantes. Además, como se ha mencionado más arriba, los usuarios del dispositivo que podrían beneficiarse de una órtesis motorizada sufren importantes problemas de movilidad, que no sólo inhiben el movimiento volitivo de las piernas sino que también perjudican la función del tronco y/o de las extre midades superiores. Esos impedimentos suelen impedir que el usuario pueda ponerse y quitarse los aparatos de forma independiente sin la ayuda de un cuidador, lo que no es deseable.

Sumario de la invención

La presente invención está dirigida a los dispositivos de ayuda al movimiento, tales como las órtesis de miembros o de marcha motorizadas o los dispositivos robóticos de movilidad de piernas o "exoesqueletos" que se pueden llevar puestos, y más particularmente a los mecanismos de acoplamiento y de accionamiento para accionar los componen tes de las articulaciones de esos dispositivos, tal como se definen en las reivindicaciones adjuntas. Un aspecto de la invención es un conjunto de actuadores que incluye un sistema de acoplamiento magnético mejorado, que permite el acoplamiento fácil, con una sola mano, de un componente accionado a un miembro de accionamiento rotativo del conjunto de actuadores.

En realizaciones ejemplares, el miembro de accionamiento rotativo puede ser un carrete de salida de un conjunto de carrete de cable que es parte del conjunto de actuador. En particular, el conjunto del carrete de cable puede consti tuir una etapa final de una porción de transmisión de reducción de velocidad de etapas múltiples del conjunto de actuador. Este carrete de salida puede incluir una pluralidad de bolsas retraídas (por ejemplo, seis bolsas retraídas en una realización ejemplar), teniendo una o más de las bolsas un imán de disco de neodimio cilíndrico instalado en el fondo del bolsa retraída. El componente accionado, que puede ser una sección ortésica plástica contorneada que se ajusta a la parte inferior de la pierna de un portador humano, puede incluir una porción de acoplamiento que tiene características realzadas de emparejamiento que coinciden esencialmente con las bolsa retraídas del miembro de accionamiento rotativo o del carrete de salida. Estas características realzadas de emparejamiento pueden incluir imanes de disco de neodimio cilíndricos incrustados que se acoplan a los discos magnéticos en las bolsas retraídas del carrete de salida.

Durante el montaje del dispositivo de movilidad para piernas (es decir, al ponérselo), cuando la porción de acopla miento del componente accionado se coloca en la proximidad del miembro de accionamiento rotativo o carrete de salida, la atracción magnética une los dos componentes y los elementos de emparejamiento realzados de la porción de acoplamiento del componente accionado se aplican mecánicamente en las bolsas retraídas del miembro de ac cionamiento rotativo. Una vez que los dos componentes son unidos por el acoplamiento magnético, una interfaz mecánica de una superficie de emparejamiento de las características de emparejamiento realzadas del componente accionado contra una superficie de emparejamiento opuesta de las bolsas retraídas del miembro de accionamiento rotativo maneja las cargas de par de torsión aplicadas al conjunto de actuador. Por consiguiente, aunque el acopla miento magnético ayuda en la colocación, el principal acomodo del par de torsión es realizado por la interfaz mecá nica de las dos superficies de emparejamiento opuestas. La interfaz mecánica de las bolsas retraídas y las caracte rísticas de emparejamiento realzadas pueden tener además escalones o estrechamiento progresivos (por ejemplo, de aproximadamente 15 grados con respecto a la línea normal) que facilitan aún más la alineación.

Para mejorar aún más la capacidad de autoalineación del sistema de acoplamiento magnético, los elementos mag néticos en cada uno de los miembros de accionamiento rotativos y el componente impulsor pueden instalarse con polaridad alterna. En otras palabras, un primer elemento magnético puede instalarse en el miembro de accionamien to rotativo con el polo norte orientado hacia fuera; un siguiente elemento magnético adyacente puede instalarse con el polo sur orientado hacia fuera; y así sucesivamente de forma alterna. La porción de acoplamiento del componente accionado de forma similar tendría elementos magnéticos instalados con polaridad alterna, y de polaridad opuesta en relación con los elementos magnéticos de los rebajes para lograr el acoplamiento magnético. De esta manera, el sistema de acoplamiento magnético tiene una fijación magnética que fuerza activamente a los dos componentes a separarse si el usuario intenta realizar el acoplamiento en la alineación incorrecta del conjunto del actuador en rela ción con el componente accionado.

En una realización ejemplar, cada una de las seis conexiones magnéticas tiene una fuerza de sujeción de aproxima damente 2,7 Kg (seis libras), para una fuerza de acoplamiento total de aproximadamente 16,3 Kg (36 libras). Ade más de la fijación por polaridad magnética, que frena la desalineación durante la colocación, las bolsas retraídas del miembro de accionamiento rotativo pueden estar dispuestas en un patrón no uniforme de superficies diferentes que coincida con un patrón opuesto de las superficies de los elementos realzados del elemento accionado. El patrón de la interfaz mecánica proporciona una característica mecánica adicional de fijación que impide además una aplicación desalineada inadecuada entre los dos componentes del sistema de acoplamiento. Por lo tanto, el sistema de aco plamiento puede estar fijación tanto mecánica como magnéticamente para asegurar una alineación adecuada al ponérselo.

En otra realización ejemplar, un lado del sistema de acoplamiento puede estar cargado con discos ferrosos (por ejemplo, de acero) en lugar de elementos magnéticos. Esto podría permitir la conexión en una variedad de orienta ciones si se desea, en contraste con la fijación de la realización anterior. Una configuración de este tipo también puede reducir el impacto de emparejamiento de los componentes de acoplamiento a medida que se unen, ya que la fuerza de atracción del imán sobre el acero decae más rápidamente con la distancia que la del imán sobre el imán. La conexión en una variedad de orientaciones también podría lograrse manteniendo una convención de polaridad uniforme para todos los imanes, en contraste con la fijación magnética de la realización anterior. En otras palabras, en cada uno de los miembros accionados rotativos y el componente accionado la polaridad puede ser la misma para todos los elementos magnéticos, es decir, el polo norte orientado hacia fuera para todos los elementos magnéticos en el componente accionador rotativo y el polo sur orientado hacia fuera para todos los elementos magnéticos en el componente accionado, o viceversa. En otra realización ejemplar, los elementos magnéticos pueden ser utilizados para ayudar a la alineación y la aplicación durante el montaje, pero puede existir una característica de bloqueo adi cional para aplicar positivamente el acoplamiento de los dos componentes, y/o manejar la carga de par de torsión y/o las fuerzas de separación durante el uso.

De acuerdo con tales características, un conjunto de actuador articular incluye un motor, un miembro de acciona miento rotativo accionado por el motor para accionar un componente accionado, y un conjunto de transmisión situa do entre el motor y el miembro de accionamiento rotativo que proporciona una reducción de la velocidad del motor al miembro de accionamiento rotativo. El miembro de accionamiento rotativo comprende un acoplamiento magnético que incluye una pluralidad de elementos magnéticos que se configuran para acoplarse magnéticamente con un acoplamiento magnético opuesto del componente accionado. El actuador y el componente accionado pueden com binarse en un dispositivo de movilidad que incluye un sistema de acoplamiento magnético que tiene un primer aco plamiento magnético en el conjunto de accionamiento que se acopla magnéticamente a un segundo acoplamiento magnético en el componente accionado. El sistema de acoplamiento magnético incluye una pluralidad de elementos magnéticos situados como parte de uno o de ambos de los primeros y segundos acoplamientos magnéticos. El pri mer y el segundo acoplamientos magnéticos tienen superficies de acoplamiento opuestas que se unen cuando el sistema de acoplamiento magnético está en una posición acoplada.

Como se define en la reivindicación 1 anexada, la presente invención proporciona un dispositivo de movilidad que incluye un conjunto de actuador articular y un componente accionado que están acoplados uno al otro por medio de un sistema de acoplamiento magnético mejorado. El dispositivo de movilidad incluye un conjunto de actuador que incluye un miembro de accionamiento rotativo; un componente accionado que es accionado por el miembro de ac cionamiento rotativo; y un sistema de acoplamiento magnético. El sistema de acoplamiento magnético incluye un primer acoplamiento magnético en el conjunto del actuador que se acopla magnéticamente a un segundo acopla miento magnético en el componente accionado, el sistema de acoplamiento magnético incluye una pluralidad de elementos magnéticos situados como parte de uno o ambos de los acoplamientos magnéticos primero y segundo. El primer acoplamiento magnético tiene una primera superficie de acoplamiento y el segundo acoplamiento magnético tiene una segunda superficie de acoplamiento que se unen cuando el sistema de acoplamiento magnético está en una posición acoplada.

La primera y la segunda superficie de emparejamiento son superficies de emparejamiento opuestas estrechadas progresivamente.

La superficie de emparejamiento estrechada progresivamente de la primera superficie de emparejamiento está esca lonada con una pluralidad de crestas, y la superficie de emparejamiento estrechada progresivamente de la segunda superficie de emparejamiento está escalonada con una pluralidad de crestas opuestas relativas a la primera superfi cie de emparejamiento.

Opcionalmente, el primer acoplamiento magnético comprende una pluralidad de bolsas retraídas y el segundo aco plamiento magnético tiene una pluralidad de características de emparejamiento realzadas que se extienden respec tivamente al interior de las bolsas retraídas cuando el sistema de acoplamiento magnético está en la posición aco plada.

Opcionalmente, al menos una de las bolsas retraídas incluye el elemento magnético respectivo de la pluralidad de elementos magnéticos situados en el fondo de la bolsa retraída, y/o al menos una de las características de empare jamiento realzadas incluye el elemento magnético respectivo de la pluralidad de elementos magnéticos situados en un extremo de la característica de emparejamiento realzada.

Opcionalmente, cada bolsa retraída incluye la primera superficie de emparejamiento que se extiende desde una superficie exterior del miembro de accionamiento rotativo hacia un fondo de la bolsa retraída; cada característica de emparejamiento realzada incluye la segunda superficie de emparejamiento que se extiende desde una superficie base del componente accionado hacia un extremo de la característica de emparejamiento realzada; y la primera superficie de emparejamiento y la segunda superficie de emparejamiento se aplican cuando el sistema de acopla miento magnético está en la posición acoplada.

Opcionalmente, las primeras superficies de emparejamiento de las bolsa retraídas no son uniformes unas con las otras, y las segundas superficies de emparejamiento de las características de emparejamiento realzadas no son uniformes unas con las otras de manera opuesta a las primeras superficies de emparejamiento.

La primera superficie de emparejamiento y la segunda superficie de emparejamiento forman una interfaz mecánica. Opcionalmente, la interfaz mecánica maneja las cargas de par de torsión aplicadas al conjunto del actuador, y pro porciona una fijación mecánica que alinea el conjunto del actuador y el componente accionado.

Opcionalmente, cada bolsa retraída incluye un elemento magnético respectivo de la pluralidad de elementos magné ticos.

Opcionalmente, cada característica de emparejamiento realzada incluye un elemento magnético respectivo de la pluralidad de elementos magnéticos de polaridad opuesta en relación con un elemento magnético de una bolsa retraída opuesta.

Opcionalmente, en el miembro de accionamiento rotativo la polaridad es la misma para todos los elementos magné ticos, y en el componente accionado la polaridad es la misma para todos los elementos magnéticos y opuesta a la polaridad de los elementos magnéticos en el miembro de accionamiento rotativo.

Opcionalmente, el sistema de acoplamiento magnético comprende un sistema de fijación magnética que alinea el elemento de accionamiento rotativo y el componente accionado, el sistema de fijación magnética incluye elementos magnéticos en cada uno de los elementos de accionamiento rotativos y el componente accionado se instala con polaridad alterna y opuesta.

Opcionalmente, uno de los conjuntos de actuadores y el componente de accionamiento incluye elementos magnéti cos, y el otro del conjunto de actuadores y el componente de accionamiento incluye discos ferrosos que se oponen a los elementos magnéticos.

Opcionalmente, el sistema de acoplamiento magnético comprende seis bolsa retraídas separadas equidistantemente alrededor del miembro de accionamiento rotativo, y seis características de emparejamiento realzadas opuestas en el componente accionado.

Opcionalmente, los elementos magnéticos son imanes de disco de neodimio.

Opcionalmente, el miembro de accionamiento rotativo comprende un carrete de salida del conjunto de actuador que acciona el componente accionado.

Opcionalmente, el dispositivo de movilidad es un dispositivo exoesquelético de movilidad de piernas que comprende: un componente de cadera; al menos un conjunto de muslo que incluye el conjunto actuador conectado al componen te de cadera en una articulación de cadera; y el componente accionado es al menos un conjunto de pantorrilla que está acoplado magnéticamente a el al menos un conjunto de muslo por el sistema de acoplamiento magnético en una articulación de rodilla.

Estas y otras características de la presente invención serán evidentes con referencia a la descripción que sigue y a los dibujos adjuntos. En la descripción y en los dibujos se han divulgado detalladamente determinadas realizaciones de la invención como indicativas de algunas de las formas en las que se pueden emplearse los principios de la in vención, pero se entiende que la invención no está limitado en alcance correspondientemente. Por el contrario, la invención incluye todos los cambios, modificaciones y equivalentes que se ajusten a los términos de las reivindica ciones que se adjuntan a la presente memoria descriptiva. Las características que se describen y/o ilustran con respecto a una realización pueden ser utilizadas de la misma manera o de manera similar en una o más otras reali zaciones y/o en combinación con o en lugar de las características de las otras realizaciones, de conformidad con el alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es un dibujo que muestra un dispositivo ejemplar de exoesqueleto tal como es usado por un usuario.

La figura 2 es un dibujo que muestra una vista en perspectiva de un dispositivo ejemplar de exoesqueleto en posición de pie.

La figura 3 es un dibujo que muestra una vista en perspectiva del dispositivo ejemplar de exoesqueleto en posición sentada.

La figura 4 es un dibujo que muestra una vista frontal del dispositivo ejemplar de exoesqueleto en posición de pie.

La figura 5 es un dibujo que muestra una vista lateral del dispositivo ejemplar de exoesqueleto en posición de pie.

La figura 6 es un dibujo que muestra una vista trasera del dispositivo ejemplar de exoesqueleto en posición de pie.

La figura 7 es un dibujo que muestra una vista en perspectiva de un conjunto de muslo ejemplar que tiene dos casetes de actuadores ejemplares instalados en el mismo.

La figura 8 es un dibujo que muestra una vista frontal del conjunto de muslo ejemplar que tiene dos casetes de actuadores ejemplares instalados en el mismo.

La figura 9 es un dibujo que muestra una vista en perspectiva del conjunto del muslo ejemplar que tiene dos casetes de actuadores ejemplares instalados en el mismo.

La figura 10 es un dibujo que muestra una vista superior de un ejemplar de un casete de actuador.

La figura 11 es un dibujo que muestra una vista inferior de un ejemplar de un casete de actuador.

La figura 12 es un dibujo que representa una vista isométrica de un conjunto de actuadores ejemplar de acuerdo con las características de la presente invención.

La figura 13 es un dibujo que muestra una vista superior del conjunto de actuador ejemplar de la figura 12. La figura 14 es un dibujo que muestra una vista transversal lateral de un ejemplar de bolsa retraída incluida en el conjunto de actuador de las figuras 12 y 13.

La figura 15 es un dibujo que representa una primera vista isométrica de del conjunto de actuador articular ejemplar en combinación con un componente accionado ejemplar, de acuerdo con las características de la presente invención.

La figura 16 es un dibujo que muestra una segunda vista isométrica del conjunto de actuador articular ejemplar y componente accionado de la figura 15.

La figura 17 es un dibujo que muestra una vista isométrica del componente accionado ejemplar de las figu ras 15 y 16 de forma aislada.

Descripción detallada

Las representaciones de la presente invención serán descritas a continuación con referencia a los dibujos, en los que se utilizan números de referencia similares para referirse a elementos similares en todos ellos. Se entenderá que las figuras no están necesariamente a escala.

Para el contexto, las figuras 1 - 11 muestran varias vistas de un dispositivo ejemplar de exoesqueleto que puede ser usado en conexión con el sistema de acoplamiento magnético de la presente invención. Una descripción un tanto generalizada de un dispositivo de exoesqueleto de este tipo se proporciona en la presente memoria descriptiva con fines ilustrativos. Una descripción más detallada de dicho dispositivo puede encontrarse en la solicitud internacional de patente del solicitante número PCT/US2015/023624 presentada el 3 de marzo de 2015. No obstante, se aprecia rá que el dispositivo de exoesqueleto que se describe presenta un ejemplo de uso, y que las características del sis tema de acoplamiento magnético de la presente invención no se limitan a ninguna configuración particular de un dispositivo de exoesqueleto. Se pueden hacer variaciones al dispositivo de exoesqueleto, mientras que las caracte rísticas de la invención actual, tal como se reivindica, siguen siendo aplicables. Además, los principios de esta in vención pueden aplicarse de manera general a cualquier dispositivo de movilidad adecuado. Tales dispositivos de movilidad incluyen, por ejemplo, dispositivos ortopédicos que ayudan a la movilidad de las personas sin uso o con un uso limitado de una cierta porción del cuerpo, y dispositivos protésicos, que esencialmente proporcionan una sustitu ción electromecánica de una parte del cuerpo que no está presente como puede ser utilizada por un amputado o una persona que congénitamente carece de una porción del cuerpo. Los dispositivos de movilidad pueden estar configu rados como, o incluir componentes de, la articulación inferior y/o superior, ya sea individualmente o en combinación como un componente unitario.

Como se muestra en la figura 1, un dispositivo de exoesqueleto 1, que también puede ser referido en la técnica como un "dispositivo robótico usable", puede ser usado por un usuario. Para sujetar el dispositivo al usuario, el dis positivo 1 puede incluir dispositivos de sujeción 2 para la fijación del dispositivo al usuario por medio de cinturones, lazos, correas o similares. Además, para la comodidad del usuario, el dispositivo 1 puede incluir un acolchado 3 dispuesto a lo largo de cualquier superficie que pueda entrar en contacto con el usuario. El dispositivo 1 puede ser utilizado con una ayuda de estabilidad 4, tal como muletas, un andador o similar.

Un dispositivo de exoesqueleto de movilidad de piernas ejemplar se ilustra como una órtesis de miembro inferior motorizada 100 en las figuras 2 - 6. Específicamente, la órtesis 100 que se muestra en las figuras 2 - 6 puede incor porar cuatro componentes de accionamiento configurados como dispositivos electro - motores (por ejemplo, motores eléctricos), que imponen pares de torsión de plano sagital en cada rodilla y componentes articulares de cadera inclu yendo (derecha e izquierda) los componentes articulares de cadera 102R, 102^ly los componentes articulares de rodilla 104R, 104L. La figura 2 muestra la órtesis 100 en posición de pie mientras que la figura 3 muestra la órtesis 100 en posición sentada.

Como se ve en las figuras, la órtesis contiene cinco conjuntos o módulos, aunque se pueden omitir uno o más de estos módulos y añadir otros (por ejemplo, módulos de brazo), que son: dos conjuntos inferiores de piernas (módu los) 106R y 106L (derecho e izquierdo), dos conjuntos de muslo (izquierdo y derecho) 108R y 108L, y un conjunto de cadera 110. Cada conjunto de muslo 108R y 108L incluye un alojamiento de conjunto de muslo respectivo 109R y 109L, y un eslabón, conector o acoplador 112R y 112L que se extiende desde cada una de las articulaciones de rodilla 104R y 104L y que está configurado para moverse de acuerdo con el funcionamiento de las articulaciones de rodilla 104R y 104L para proporcionar un par de torsión de plano sagital en las articulaciones de rodilla 104R y 104L.

Los conectores 112R y 112L pueden estar configurados además para acoplar mecánicamente cada uno de los con juntos de muslo 108R y 108L a los conjuntos de pierna respectivos 106R y 106L. Además, cada conjunto de muslo 108R y 108L también incluye un eslabón, conector o acoplador 114R y 114L, respectivamente, que se extiende desde cada uno de los componentes articulares de cadera 102R y 102L y se mueve de acuerdo con el funciona miento de los componentes articulares de cadera 102R y 102L para proporcionar un par de torsión plano sagital en los componentes de articulación de rodilla 104R y 104L. Los conectores 114R y 114L pueden configurarse además para acoplar mecánicamente cada uno de los conjuntos de muslo 108R y 108L al conjunto de cadera 110.

En algunas realizaciones, los diversos componentes del dispositivo 100 pueden ser dimensionados para el usuario. Sin embargo, en otras realizaciones los componentes pueden ser configurados para acomodar a una variedad de usuarios. Por ejemplo, en algunas realizaciones se pueden disponer uno o más elementos de extensión entre los conjuntos de pierna 106R y 106L y los conjuntos de muslo 108R y 108L para acomodar a los usuarios con extremi dades más largas. En otras configuraciones, se pueden ajustar las longitudes de los dos conjuntos de pantorrilla 106R y 106L, los dos conjuntos de muslo 108R y 108L y el conjunto de cadera 110. Es decir, los alojamientos de los conjuntos de muslo 109R, 109L, los alojamientos de los conjuntos de pantorrilla 107R y 107L para los conjuntos de pantorrilla 106R, 106L, respectivamente, y el alojamiento del conjunto de cadera 113 para el conjunto de cadera 110 pueden configurarse para permitir al usuario o al profesional médico ajustar la longitud de estos componentes sobre el terreno. Por ejemplo, estos componentes pueden incluir secciones deslizables o móviles que pueden sujetarse en una o más posiciones mediante tornillos, clips o cualquier otro tipo de sujetadores. En vista de lo anterior, los dos conjuntos de pantorrilla 106R y 106L, los dos conjuntos de muslo 108R y 108L y el conjunto de cadera 110 pueden formar un sistema modular que permita reemplazar selectivamente uno o más de los componentes de la órtesis 100 y crear una órtesis para un usuario sin necesidad de componentes personalizados. Esa modularidad también puede facilitar enormemente el procedimiento para ponerse y quitarse el dispositivo.

En la órtesis 100, cada alojamiento de conjunto de muslo 109R, 109L puede incluir sustancialmente todos los com ponentes de accionamiento para operar y conducir los correspondientes a los componentes articulares de rodilla 104R, 104L y los componentes articulares de cadera 102R, 102L. En particular, cada uno de los alojamientos de conjunto de muslo 109R, 109L puede incluir componentes de accionamiento configurados como dos dispositivos de accionamiento (por ejemplo, motores eléctricos) que se utilizan para accionar las articulaciones de los componentes de las articulaciones de cadera y rodilla. Sin embargo, las diversas realizaciones no están limitadas a este respecto, y algunos componentes de accionamiento pueden estar situados en el conjunto de cadera 110 y/o en los conjuntos de pantorrilla 106R, 106L.

Una batería 111 para proporcionar energía a la órtesis puede ser situada dentro del alojamiento del conjunto de cadera 113 y los conectores 114R y 114L también pueden proporcionar medios para conectar la batería 111 a cual quier componente de accionamiento dentro de cualquiera de los conjuntos de muslo 108R y 108L. Por ejemplo, los conectores 114R y 114L pueden incluir cables, contactos o cualquier otro tipo de elementos eléctricos para conectar eléctricamente la batería 111 a los componentes de accionamiento de los conjuntos de muslo 108R y 108L. En las diversas realizaciones, la colocación de la batería 111 no se limita a estar dentro del alojamiento del conjunto de cadera 113. Por el contrario, la batería puede ser una o más baterías situadas dentro de cualquiera de los conjuntos de la órtesis 100.

Los componentes de accionamiento referenciados pueden incorporar sensores adecuados y controladores electróni cos internos o dispositivos de control relacionados para su uso en el control del dispositivo de exoesqueleto. Tales dispositivos de control interno pueden realizar, utilizando la información sensorial, la detección de señales posturales, mediante las cuales el dispositivo de control interno hará que el dispositivo de exoesqueleto entre automática mente en modos generalizados de funcionamiento, tales como sentarse, ponerse de pie, caminar, funcionamiento con asistencia variable, y transiciones entre estos modos o estados generalizados (por ejemplo, de sentado a poner se de pie, de ponerse de pie a caminar, de caminar a ponerse de pie, de ponerse de pie a sentarse, etc.) y la transi ción de pasos (por ejemplo, paso a la derecha, paso a la izquierda).

En las diversas realizaciones, para mantener un bajo peso para la órtesis y un perfil reducido para los diversos com ponentes, los componentes de accionamiento pueden incluir un sistema de accionamiento sustancialmente plano que se utiliza para accionar las articulaciones de la cadera y la rodilla de los componentes articulares. Por ejemplo, cada motor puede impulsar respectivamente un componente articular asociado mediante el funcionamiento de un actuador que contenga una transmisión de reducción de velocidad en múltiples etapas, utilizando una disposición de etapas de reducción orientadas sustancialmente en paralelo al plano del movimiento sagital. En las figuras 7 a 11, la consolidación de las piezas móviles en unidades autónomas, denominadas en la presente memoria descriptiva "ca setes", permite facilitar el mantenimiento y la sustitución porque los casetes son intercambiables, lo que facilita su mantenimiento o requiere una menor variedad de componentes de repuesto. Tal como se utiliza en la presente me moria descriptiva, "autónomo" significa que el casete incluye todo lo necesario para funcionar de manera plenamente funcional si se le suministra energía, incluida la recepción o generación, de acuerdo con lo que se precise, de cual quier señal de control relacionada con los componentes de la unión. Así, por ejemplo, si se suministra energía a los contactos eléctricos del casete, el casete se activaría.

En las representaciones ilustradas de los componentes de accionamiento, un ejemplo de montaje de un actuador incluye un motor integrado en una placa base común junto con las etapas de reducción de velocidad de la transmi sión. El conjunto del actuador proporciona una transferencia suave y eficiente del movimiento del motor al ángulo de la articulación. La integración del motor en el casete permite una configuración más delgada del conjunto y propor ciona una alineación consistente entre las partes. Además, la integración del motor en el casete también crea una mayor superficie para transferir y emitir el calor generado por el motor. En el caso de un dispositivo de asistencia a la movilidad, estos casetes pueden pertenecer a una articulación específica o a un conjunto de articulaciones del dis positivo. Cada una de ellas puede tener una unidad de actuación única o compartir una unidad de actuación. Los casetes también pueden albergar el dispositivo de control electrónico, y además pueden contener elementos senso res como los acelerómetros, giróscopos, medición inercial y otros sensores para detectar y observar la orientación o el ángulo y la velocidad angular de la parte superior de la piernas. Las unidades de casetes autónomas pueden ser premontadas para ayudar en la fabricación del dispositivo más amplio. Esto permite un rápido mantenimiento del dispositivo, ya que los casetes individuales pueden ser cambiados y reparados.

Por lo tanto, haciendo referencia a las figuras 7 - 11, un casete oval 500 extraíble y auto contenido de actuador pue de ser recibido en un receptáculo de un dispositivo robótico portátil, como por ejemplo en un componente de muslo izquierdo 108L. Se apreciará que se pueda incorporar un diseño de casete comparable en cualquiera de los compo nentes de articulaciones del dispositivo. El casete 500 puede incluir una primera porción circular 520 que alberga un dispositivo de accionamiento (por ejemplo, un motor eléctrico) 502. Una segunda parte circular 522 puede estar desplazada longitudinalmente y superpuesta longitudinalmente a la primera parte circular y puede albergar un siste ma de transmisión, que se describe en detalle a continuación, accionado por el dispositivo motor 502. Una tercera porción circular 524 puede estar desplazada longitudinalmente con respecto a la primera y segunda porciones circu lares y longitudinalmente superpuesta a la segunda porción circular y puede albergar una segunda porción de transmisión. Estas tres porciones circulares superpuestas tienen una forma oval, que puede incluir los sensores de referencia y los dispositivos de control electrónico. Por lo tanto, un alojamiento oval 530 puede soportar el dispositivo motor 502 y el sistema de transmisión de etapas múltiples que se describe a continuación. Los lados largos del alo jamiento oval son rectos y paralelos uno al otro y terminan tangencialmente como superficies finales curvadas del alojamiento oval.

Las figuras 12 - 13 muestran dos vistas diferentes de un conjunto de actuador ejemplar 10 de acuerdo con las carac terísticas de la presente invención. El conjunto de actuador 10 puede ser incorporado en una configuración de case te como se ha descrito más arriba. Un conjunto de actuador 10 en un casete puede ser empleado para una articula ción de rodilla, y otro conjunto de actuador en un casete puede ser empleado para una articulación de cadera. Esta configuración puede emplearse tanto en el lado izquierdo como en el derecho para un dispositivo de exoesqueleto de movilidad de pierna.

En general, en realizaciones ejemplares, un conjunto de actuadores articulares puede incluir un motor que acciona un conector de articulación para accionar una articulación de un dispositivo de movilidad; una primera etapa de re ducción de la velocidad conectada a un eje de salida del motor para proporcionar una reducción de la velocidad de la salida del motor; una segunda etapa de reducción de la velocidad vinculada a una salida de la primera etapa de reducción de la velocidad para proporcionar una reducción de la velocidad relativa a la salida de la primera etapa; y una tercera etapa de reducción de la velocidad vinculada a una salida de la segunda etapa de reducción de la velo cidad para proporcionar una reducción de la velocidad relativa a la salida de la segunda etapa. La primera, segunda y tercera etapas funcionan como una transmisión de tres etapas para proporcionar la salida que impulsa el conector de junta.

Haciendo referencia a las figuras particulares, la figura 12 es un dibujo que representa una vista isométrica del con junto de actuadores de articulaciones ejemplares 10 de acuerdo con las realizaciones de la presente invención. La figura 13 es un dibujo que representa una vista superior del conjunto de actuadores ejemplares 10 de la figura 12. El conjunto de actuador 10 puede configurarse como un actuador de alto par de torsión con relación al peso que tiene una transmisión de tres etapas con un carrete de cable, una cadena de carretes o una etapa de transmisión final de correa. Alternativamente, cualquier etapa puede configurarse utilizando engranajes para la reducción de la veloci dad. Con esa configuración, el conjunto del actuador 10 funciona como un actuador para accionar un componente articular del dispositivo de movilidad mediante una transmisión de reducción de velocidad de tres etapas para pro porcionar un par de torsión de salida adecuado para accionar los componentes articulares del dispositivo de movili dad de pierna.

Haciendo referencia las figuras, el conjunto del actuador 10 puede incluir un motor 12, una etapa de engranaje heli coidal 14, y una etapa de conjunto de carretes de cable 16. Juntos, estos componentes comprenden la transmisión de tres etapas que genera el par de torsión de salida para accionar los componentes articulares del dispositivo de movilidad de pierna. El motor 12 puede ser un motor eléctrico de corriente continua sin escobillas y puede tener un perfil plano que se dimensiona y forma para su incorporación en un casete de actuador al que se hace referencia más arriba. El conjunto de actuador 10 puede alimentarse a través de un conector de alimentación 17 que está co nectado eléctricamente a una fuente de alimentación externa. En los ejemplos en los que el conjunto de actuador 10 está contenido en un casete en un conjunto para muslo, un conjunto de actuador 10 puede conectarse a un conjunto de cadera para proporcionar movimiento en la parte superior de la pierna o en la articulación de la cadera. Además, también se encuentra en el casete un conjunto de actuador con orientación opuesta 10 que se puede conectar a un conjunto para pierna para proporcionar un movimiento en la articulación de la rodilla.

Detalles adicionales del sistema de transmisión de tres etapas del conjunto de actuadores 10 se describen en la solicitud provisional U.S. del solicitante presentada el mismo día que la solicitud actual, y titulada "DISPOSITIVO DE EXOSQUELETO DE MOVILIDAD CON MECANISMO DE ACTUADOR MEJORADO". El sistema de transmisión en tres etapas se considera un ejemplo no limitado para la ilustración. Otras configuraciones de sistemas de transmi sión de reducción de velocidad pueden ser empleadas, las cuales pueden utilizar el sistema de acoplamiento mag nético de la presente invención, incluyendo un conjunto de transmisión multi - etapa que tiene un número de etapas diferente de tres etapas, como por ejemplo un conjunto de transmisión de reducción de velocidad de dos etapas.

En el ejemplo de las figuras 12 y 13, generalmente una primera etapa de transmisión 18 puede incluir el motor 12 que se ha mencionado más arriba, que a través de un mecanismo de accionamiento acciona un eje de salida 20. El accionamiento del eje de salida de la primera etapa 20 interconecta la primera etapa 18 del conjunto de actuadores 10 con la etapa 14 de engranajes helicoidales, que funciona como segunda etapa de reducción de la velocidad. Más concretamente, el eje de salida de la primera etapa 20 puede conectarse mecánicamente a un engranaje central 24. El engranaje central 24 puede engranar con el primero y el segundo engranajes exteriores 26 y 28, cada uno de ellos situado en lados opuestos del engranaje central 24, como se muestra en las figuras 12 - 13. De esta manera, el engranaje central 24 puede transmitir energía a los engranajes exteriores primero y segundo 26 y 28. Además, los dos engranajes helicoidales exteriores son más grandes que el engranaje helicoidal central para proporcionar la segunda etapa de reducción de la velocidad de salida de la primera etapa de reducción de velocidad. Estos grandes engranajes helicoidales 26 y 28 pueden vincularse a una tercera etapa final de reducción de la velocidad que se configura como el conjunto de carretes de cable 16, de modo que la salida de la segunda etapa de reducción de la velocidad transmite energía a la tercera etapa de reducción de la velocidad. En general, el conjunto de carretes de cable 16 puede incluir un carrete de salida 32 y al menos un elemento de cable (no mostrado) que interconecta la salida de la segunda etapa de reducción de la velocidad y el carrete de salida. La salida de la segunda etapa de reducción de la velocidad transmite así la energía al carrete de salida 32. Pueden proporcionarse múltiples elemen tos de cable que se enrollan alrededor de los carretes de cable primero y segundo 34 y 36, de manera que los carre tes de cable funcionan de forma opuesta para admitir o expulsar cable para impulsar la rotación del carrete de salida 32. La tercera reducción de velocidad se logra gracias al mayor tamaño del carrete de salida 32 en relación con el recorrido del carrete de cable alrededor del engranaje helicoidal exterior 26 y 28, como se muestra en las figuras 12 y 13. Como se ha indicado más arriba, los detalles del sistema de transmisión en tres etapas del conjunto de accionador 10, que es un ejemplo no limitativo, se describen en la otra solicitud provisional del solicitante presentada el mismo día que la solicitud actual.

Haciendo referencia a las figuras 12 y 13, el carrete de salida 32 puede incluir además un conjunto de conexión rápida magnética/eléctrica 46. El conjunto de conexión rápida se describe en detalle en otra solicitud de patente provisional separada que se presenta simultáneamente con la presente, titulada "DISPOSITIVO DE EXOSQUELE-TO DE MOVILIDAD PARA PIERNA CON MECANISMO DE ACTUACIÓN MEJORADO QUE EMPLEA CONECTOR MAGNÉTICO/ELÉCTRICO".

Algunos aspectos de la presente invención se refieren a un sistema de acoplamiento magnético que acopla el con junto de actuadores 10 a un componente accionado. Generalmente, en realizaciones ejemplares un conjunto de actuador articular incluye un motor, un miembro de accionamiento rotativo accionado por el motor para accionar un componente accionado, y un conjunto de transmisión como se ha referido más arriba localizado entre el motor y el miembro de accionamiento rotativo que proporciona una reducción de velocidad del motor al miembro de acciona miento rotativo. El miembro de accionamiento rotativo incluye un acoplamiento magnético que incluye una pluralidad de elementos magnéticos que están configurados para acoplarse magnéticamente a un acoplamiento magnético opuesto del componente accionado. El acoplamiento magnético puede incluir una pluralidad de bolsas retraídas, y al menos una de las bolsas retraídas incluye un elemento magnético respectivo uno de la pluralidad de elementos magnéticos localizados en un fondo del bolsa retraída.

Haciendo referencia de nuevo a las figuras 12 y 13, el carrete de salida 32 puede incluir una pluralidad de bolsas retraídas 50 que pueden proporcionar un acoplamiento magnético del conjunto del actuador 10 a un componente accionado que es accionado por la rotación del carrete de salida 32. En el ejemplo de las figuras 12 y 13, el carrete de salida 32 incluye seis de estas bolsa retraídas 50 espaciadas equidistantemente alrededor del carrete de salida como una realización ejemplar, aunque se puede emplear cualquier número adecuado de bolsa retraídas. En esta incorporación, cada bolsa retraída 50 incluye un primer elemento magnético 52 situado en el fondo de la bolsa re traída (es decir, hay seis elementos magnéticos en esta realización) que se utiliza para el acoplamiento magnético, aunque, como se detalla más adelante, los elementos magnéticos pueden estar incluidos en el componente accio nado adicionalmente o alternativamente a los elementos magnéticos del conjunto del accionador. A este respecto, todas las bolsa retraídas, o menos que todas las bolsa retraídas, pueden incluir un elemento magnético 52. En ejemplos, cada uno de los elementos magnéticos 52 puede configurarse como un disco magnético cilíndrico de neodimio instalado en el fondo de la bolsa retraída 50. Cada bolsa retraída puede incluir además una primera super ficie de acoplamiento 54 para ayudar al acoplamiento magnético a una superficie de acoplamiento cooperante del componente accionado.

La figura 14 es un dibujo que muestra una vista transversal lateral de un ejemplo de bolsa retraída 50 incluida en el conjunto de actuadores de las figuras 12 y 13. La figura 14 proporciona una vista más detallada que muestra las características de la primera superficie de emparejamiento 54. La superficie de emparejamiento 54 se extiende ge neralmente desde la superficie exterior 55 del elemento impulsor rotativo ( de salida) 32 hacia el fondo de la bolsa retraída en la que puede estar situado el elemento magnético 52. En realizaciones ejemplares, la primera superficie de emparejamiento 54 puede ser una superficie de emparejamiento que se estrecha progresivamente. La superficie de emparejamiento que se estrecha progresivamente adicionalmente puede ser una superficie escalonada que in cluye una pluralidad de crestas 56 que están conectadas por una superficie que se estrecha progresivamente 57. Las crestas 56 proporcionan soporte contra el movimiento de deslizamiento de un componente accionado en rela ción con la salida del carrete 32 del conjunto de actuador. En realizaciones ejemplares, la forma que se estrecha progresivamente se puede estrechar progresivamente en un ángulo de aproximadamente 15 grados con relación a una línea normal que se extiende desde el fondo del bolsa retraída en la que está situado el elemento magnético 52.

La rotación del carrete de salida 32 impulsa un componente accionado, como por ejemplo un componente articular superior o inferior de un dispositivo de movilidad. Por lo general, el componente accionado puede ser un componen te ortopédico de plástico contorneado que se contornea y se une a la parte inferior de la pierna de un usuario humano, o a un componente de cadera que se lleva alrededor del torso del usuario. El acoplamiento del conjunto del actuador con el componente accionado forma así un componente articular en el que se puede lograr un movimiento de rotación para permitir los movimientos del usuario mientras lleva el dispositivo de movilidad. El componente ac cionado puede incluir una porción de acoplamiento que tiene características de emparejamiento o protuberancias realzadas que esencialmente coinciden con las bolsas retraídas del carrete de salida del conjunto del actuador. Estas características de emparejamiento realzadas del componente accionado también pueden incluir elementos magnéticos comparables a los elementos magnéticos del carrete de salida, pero orientados con polaridad opuesta, y por lo tanto también pueden ser imanes de disco de neodimio incrustados.

De acuerdo con estas características, la figura 15 es un dibujo que representa una primera vista isométrica del con junto de actuadores articulares ejemplares 10 en combinación con un componente accionado ejemplar 200, de acuerdo con las características de la presente invención. La figura 16 es un dibujo que representa una segunda vista isométrica de la combinación del conjunto de actuador articular ejemplar 10 y el componente accionado 200 de la figura 15. Se apreciará que el conjunto de actuador articular 10 puede ser configurado de acuerdo con cualquiera de las realizaciones. La figura 17 es un dibujo que muestra una vista isométrica del componente accionado ejemplar 200 de las figuras 15 y 16 de forma aislada.

Por lo general, el conjunto de actuador y el componente accionado pueden combinarse en un dispositivo de movili dad que comprende el conjunto de actuador, incluido el miembro de accionamiento rotativo, y un componente accio nado que es accionado por el miembro de accionamiento rotativo, en el que el conjunto de actuador y el componente accionado están acoplados magnéticamente por un sistema de acoplamiento magnético. El sistema de acoplamiento magnético puede incluir un primer acoplamiento magnético en el conjunto del actuador que se acopla magnética mente a un segundo acoplamiento magnético en el componente accionado, el sistema de acoplamiento magnético incluye una pluralidad de elementos magnéticos situados como parte de uno o ambos de los acoplamientos magné ticos primero y segundo. El primer acoplamiento magnético tiene una primera superficie de emparejamiento y el segundo acoplamiento magnético tiene una segunda superficie de emparejamiento que se unen cuando el sistema de acoplamiento magnético está en una posición acoplada.

El primer acoplamiento magnético en el conjunto del actuador se ha descrito más arriba con referencia a las figuras 12 - 14. Como se detalla más arriba, el primer acoplamiento magnético puede incluir una pluralidad de bolsas retraí das, y el segundo acoplamiento magnético (que se describe con más detalle a continuación) tiene una pluralidad de características de emparejamiento realzadas que se extienden respectivamente a las bolsas retraídas cuando el sistema de acoplamiento magnético está en la posición acoplada.

Haciendo referencia a las figuras 15 - 17, el componente accionado 200 puede incluir una porción de acoplamiento 202 que incluye una pluralidad de características de emparejamiento realzadas 204. En el ejemplo de las figuras, se emplean seis características de emparejamiento realzadas para acoplarse con las seis bolsas retraídas, aunque, como se ha indicado más arriba, puede emplearse cualquier número adecuado.

Cada una de las características de emparejamiento 204 puede ser configurada como una protuberancia de empare jamiento realzada que tiene la forma de un acoplamiento magnético con una bolsa retraída respectiva de las bolsas retraídas 50. Por consiguiente, cada característica de emparejamiento realzada 204 incluye una segunda superficie de emparejamiento 206 que se extiende desde una superficie base 203 de la porción de acoplamiento hacia un extremo de la característica de emparejamiento realzada, que esencialmente coincide con la primera superficie de emparejamiento 54 de una bolsa retraída 50 respectiva del carrete de salida. De esta manera, las primeras superfi cies de acoplamiento 54 y las segundas superficies de acoplamiento 206 se activan cuando el sistema de acopla miento magnético está en la posición acoplada.

En realizaciones ejemplares, la primera superficie de emparejamiento y la segunda superficie de emparejamiento son superficies de emparejamiento que se estrechas progresivamente opuestas. Por consiguiente, como se ve mejor en la representación aislada de la figura 17, la segunda superficie de emparejamiento 206 es una superficie escalo nada que está escalonada de forma opuesta a la configuración escalonada de la primera superficie de empareja miento 54. La segunda superficie de emparejamiento escalonada 206 incluye por lo tanto una pluralidad de crestas opuestas 208 con relación a la primera superficie de emparejamiento que forman una configuración que se estrecha progresivamente que está alineada contra la pluralidad de crestas 56 en la primera superficie de emparejamiento. De esta manera, la interacción de las crestas 56 y las crestas opuestas 208 proporcionan una interfaz mecánica que resulta en un acoplamiento seguro que impide cualquier movimiento de deslizamiento del componente accionado 200 relativo al carrete de salida 32 del conjunto de actuador 10.

Cualquier número de las características de emparejamiento realzadas 204 pueden incluir un segundo elemento magnético respectivo 210. Cada segundo elemento magnético 210 se utiliza para el acoplamiento magnético interac tuando con un primer elemento magnético respectivo 52 de una bolsa retraída alineada 50. En realizaciones ejem plares, el segundo elemento magnético 210 puede configurarse de forma similar como un imán de disco de neodimio instalado en un extremo de la característica de acoplamiento realzada 204, con una polaridad opuesta a la de un primer elemento magnético respectivo 52 para proporcionar el acoplamiento magnético de los dos componentes.

Como se detalla más adelante, pueden emplearse diferentes números, combinaciones y alineaciones de los prime ros elementos magnéticos 52 con los segundos elementos magnéticos 210 para lograr una funcionalidad de aco plamiento magnético diferente. Generalmente, al menos una de las bolsa retraídas incluye una de la pluralidad de elementos magnéticos respectivos situados en el fondo de la bolsa retraída, y/o al menos una de las características de emparejamiento realzada incluye una de la pluralidad de elementos magnéticos respectivos situados en un ex tremo de la característica de emparejamiento realzada.

La porción de acoplamiento 202 puede estar unida integralmente a la porción del cuerpo 206. La porción del cuerpo 206 puede constituir un componente primario y un marco de apoyo de un componente de miembro superior o inferior del dispositivo de movilidad.

Durante el montaje del dispositivo de movilidad (es decir, al colocarlo), cuando la parte de acoplamiento 202 del componente accionado 200 se coloca cerca de la pieza impulsora rotativa (por ejemplo, el carrete de salida 32) del conjunto de actuador 10, la atracción magnética entre los elementos magnéticos 52 y 210 une los dos componentes. Las características de emparejamiento realzadas 204 de la parte de acoplamiento del componente accionado se aplican mecánicamente en las bolsas retraídas 50 del carrete de salida 32. Las superficies de emparejamiento opuestas 54 y las segundas superficies de emparejamiento 206 se aplican unas a las otras para un acoplamiento seguro. Por consiguiente, una vez que los dos componentes se unen mediante un acoplamiento magnético, una interfaz mecánica de las características de paso y/o estrechamiento progresivo de las segundas superficies de con tacto del componente accionado contra las características de paso y/o estrechamiento progresivo opuesta de las primeras superficies de contacto de las bolsas retraídas del carrete de salida 32 se encarga de las cargas de par de torsión aplicadas al conjunto del actuador. De esta manera, aunque el acoplamiento magnético ayuda a la coloca ción, la principal acomodación del par de torsión es realizada por la interfaz mecánica de las superficies de contacto opuestas. Como se ha descrito más arriba, para lograr la interfaz mecánica, las bolsas retraídas 50 y el empareja miento realzado cooperante presentan 204 formas de estrechamiento progresivo coincidentes, que pueden orientar se a aproximadamente 15 grados con respecto a una línea normal. De esta manera, la interfaz mecánica también proporciona una fijación mecánica que facilita la alineación de los componentes durante la colocación, además de manejar las cargas de par de torsión durante el uso.

Para mejorar aún más la capacidad de autoalineación del sistema de acoplamiento magnético, los elementos mag néticos pueden posicionarse para proporcionar un sistema de fijación magnética para la alineación adecuada del miembro de accionamiento rotativo y el componente accionado. La fijación magnética puede lograrse mediante los elementos magnéticos en cada uno de los miembros de accionamiento rotativos (de salida 32) y el componente accionado que se instala con polaridad alterna y opuesta. En otras palabras, un primer elemento magnético 52 pue de instalarse en el carrete de salida con el polo norte hacia fuera; un siguiente primer elemento magnético 52 adya cente puede instalarse con el polo sur hacia fuera; y así sucesivamente de forma alterna. De manera similar la parte de acoplamiento del componente accionado tendría los segundos elementos magnéticos 210 instalados con polari dad alterna, y de polaridad opuesta a los elementos magnéticos de las bolsa retraídas para lograr un fuerte acopla miento magnético. De esta manera, el sistema de acoplamiento magnético tiene una fijación magnética que fuerza activamente a los dos componentes a separarse si el usuario intenta hacer el acoplamiento en la orientación equivo cada o con una alineación incorrecta de las bolsas retraídas 50 y las características de emparejamiento 204.

En una realización ejemplar, cada una de las conexiones magnéticas tiene una fuerza de sujeción de aproximada mente 2,7 Kg (seis libras), para una fuerza de acoplamiento total de aproximadamente 16,3 Kg (36 libras) en un ejemplo de seis acoplamientos magnéticos como se muestra en las figuras. El número exacto y la fuerza individual de cada acoplamiento puede variar de acuerdo con las circunstancias particulares. Además de la fijación de la pola ridad magnética, que frena la desalineación durante la colocación, se puede lograr una fijación mecánica mejorada con las superficies de acoplamiento de las bolsas retraídas y las características de emparejamiento realzadas. Para lograr una fijación mecánica mejorada, las bolsa retraídas del miembro de accionamiento rotativo pueden disponerse en un patrón no uniforme de diferentes primeras superficies de acoplamiento que coincidan con un patrón no unifor me opuesto de las segundas superficies de acoplamiento 206 de las características de emparejamiento del elemento accionado. De esta manera, el patrón de la interfaz mecánica de las superficies de acoplamiento también da lugar a una fijación mecánica que impide una alineación y un acoplamiento inadecuados entre los dos componentes del sistema de acoplamiento. De esta manera, el sistema de acoplamiento puede ser de fijación tanto mecánica como magnética para asegurar la alineación y la aplicación adecuadas de los componentes durante la colocación.

En otra realización ejemplar, un lado del sistema de acoplamiento puede estar cargado con discos ferrosos (por ejemplo, de acero) en lugar de elementos magnéticos. En otras palabras, uno de los conjuntos del actuador y el componente de accionamiento incluye elementos magnéticos, y el otro de los conjuntos del actuador y el componen te de accionamiento incluye discos ferrosos como elementos 52 o 210 opuestos a los elementos magnéticos. Esta configuración podría posiblemente permitir la conexión en una variedad de orientaciones si se desea, en contraste con la fijación precisa de la realización anterior. Una configuración de este tipo también puede reducir el impacto de emparejamiento de los componentes de acoplamiento a medida que se unen, ya que la fuerza de atracción del imán al acero decae más rápidamente con la distancia que la del imán al imán. La conexión en una variedad de orienta ciones también podría lograrse manteniendo una convención de polaridad opuesta uniforme para todos los elementos magnéticos en cada uno de los conjuntos de los actuadores y el componente accionado, en contraste con la anterior realización en la que cada uno de los miembros de accionamiento es rotativo y el componente accionado tenía una polaridad magnética alterna. En otras palabras, en cada uno de entre el miembro de accionamiento rotati vo y el componente accionado, la polaridad puede ser la misma para todos los elementos magnéticos, es decir, el polo norte orientado hacia fuera para todos los elementos magnéticos en el componente de accionamiento rotativo y el polo sur orientado hacia fuera para todos los elementos magnéticos en el componente accionado, o viceversa. En otra realización ejemplar, los elementos magnéticos pueden utilizarse para ayudar a la alineación y el acoplamiento durante el montaje y la colocación, y puede existir una característica de bloqueo adicional para acoplar positivamen te el acoplamiento de los dos componentes, y/o ayudar a manejar la carga del par de torsión y/o las fuerzas de sepa ración durante el uso.

El conjunto del actuador articular generalmente puede incorporarse a un dispositivo de movilidad que incluya un componente de articulación que actúe como componente accionado, y el conjunto del actuador, en el que el conjun to del actuador impulsa el componente de articulación. El dispositivo de movilidad puede ser cualquier dispositivo de movilidad motorizado adecuado, tal como un dispositivo ortopédico motorizado, un dispositivo protésico o un disposi tivo de movilidad de pierna.

En realizaciones ejemplares, el dispositivo de movilidad puede ser un dispositivo de exoesqueleto de movilidad de pierna comparable al dispositivo representado en las figuras 1 - 11. Dicho dispositivo de exoesqueleto puede incluir un componente de cadera, al menos un conjunto de pantorrilla y al menos un conjunto de muslo conectado al con junto de cadera en una articulación de cadera y conectado al menos a un conjunto de pantorrilla en una articulación de rodilla. El al menos un conjunto de muslo puede incluir un primer conjunto de actuador que accione la articulación de la cadera y un segundo conjunto de actuador que accione la articulación de la rodilla. En un dispositivo ejemplar de exoesqueleto completo con componentes del lado izquierdo y derecho, el conjunto de al menos una pantorrilla incluye un conjunto de pantorrilla izquierda y un conjunto de pantorrilla derecha. El conjunto de al menos un muslo incluye un conjunto de muslo izquierdo conectado al conjunto de cadera en una articulación de cadera izquierda y al conjunto de pantorrilla izquierda en una articulación de rodilla izquierda, y un conjunto de muslo derecho conectado al conjunto de cadera en una articulación de cadera derecha y al conjunto de pantorrilla derecha en una articulación de rodilla derecha. El conjunto del muslo izquierdo incluye un primer conjunto de actuador que acciona la articulación de la cadera izquierda y un segundo conjunto de actuador que acciona la articulación de la rodilla izquierda. El con junto del muslo derecho incluye igualmente un tercer conjunto de actuador que acciona la articulación de la cadera derecha, y un cuarto conjunto de actuador que acciona la articulación de la rodilla derecha.

Aunque la invención ha sido mostrada y descrita con respecto a una o varias realizaciones, es evidente que se pro ducirán alteraciones y modificaciones equivalentes para otros expertos en la materia al leer y comprender esta me moria descriptiva y los dibujos anexos, de conformidad con el alcance de las reivindicaciones que se acompañan. Además, si bien una característica particular de la invención puede haber sido descrita más arriba con respecto a sólo una o más de varias realizaciones ilustradas, dicha característica puede combinarse con una o más de las otras características de las otras realizaciones, de conformidad con el alcance de las reivindicaciones que se acompañan.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo de movilidad (100) que comprende:

un conjunto de actuador (10) que incluye un miembro de accionamiento rotativo (32);

un componente accionado (200) que es accionado por el miembro de accionamiento rotativo (32); y

un sistema de acoplamiento magnético que comprende un primer acoplamiento magnético (50) en el con junto de actuador (10) que se acopla magnéticamente a un segundo acoplamiento magnético (202) en el componente accionado (200), el sistema de acoplamiento magnético incluye una pluralidad de elementos magnéticos (52, 210) situados como parte de uno o ambos de los primeros (50) y segundos (202) acopla mientos magnéticos;

en el que el primer acoplamiento magnético (50) tiene una primera superficie de emparejamiento (54) y el segundo acoplamiento magnético (202) tiene una segunda superficie de emparejamiento (206) que se unen cuando el sistema de acoplamiento magnético está en una posición acoplada, caracterizado en que la primera superficie de emparejamiento (54) y la segunda superficie de emparejamiento (206) son superficies de acoplamiento que se estrechan progresivamente opuestas, y la superficie de emparejamiento que se es trecha progresivamente de la primera superficie de emparejamiento (54) está escalonada con una plurali dad de crestas (56) y la superficie de emparejamiento que se estrecha progresivamente de la segunda su perficie de emparejamiento (206) está escalonada con una pluralidad de crestas opuestas (208) en relación con la primera superficie de emparejamiento (54), y las superficies de acoplamiento (54,206) forman una in terfaz mecánica que resulta en un acoplamiento seguro que impide cualquier movimiento de deslizamiento del componente accionado en relación con el conjunto del actuador (10).

2. El dispositivo de movilidad de la reivindicación 1, en el que el primer acoplamiento magnético comprende una pluralidad de bolsas retraídas (50) y el segundo acoplamiento magnético (202) tiene una pluralidad de caracte rísticas de emparejamiento realzadas (204) que se extienden respectivamente a las bolsas retraídas (50) cuan do el sistema de acoplamiento magnético está en la posición acoplada.

3. El dispositivo de movilidad de la reivindicación 2, en el que al menos una de las bolsa retraídas (50) incluye un elemento magnético respectivo de la pluralidad de elementos magnéticos (52) situado en el fondo de la bolsa retraída (50), y/o al menos uno de los elementos de emparejamiento realzados (204) incluye un elemento mag nético respectivo de la pluralidad de elementos magnéticos (210) situado en un extremo del elemento de empa rejamiento realzado (204).

4. El dispositivo de movilidad de cualquiera de las reivindicaciones 2 - 3, en el que:

cada bolsa retraída (50) incluye la primera superficie de emparejamiento (54) que se extiende desde la su perficie exterior (55) del miembro de accionamiento rotativo (32) hacia el fondo de la bolsa retraída (50); cada característica de emparejamiento realzado (204) incluye la segunda superficie de emparejamiento (206) que se extiende desde una superficie base (203) del componente accionado hacia un extremo de la característica de emparejamiento realzado (204); y

la primera superficie de emparejamiento (54) y la segunda superficie de emparejamiento (206) se aplican cuando el sistema de acoplamiento magnético está en la posición acoplada.

5. El dispositivo de movilidad de la reivindicación 4, en el que las primeras superficies de emparejamiento (54) de las bolsas retraídas (50) no son uniformes unas con las otras, y las segundas superficies de emparejamiento (206) de los características de emparejamiento realzadas (204) no son uniformes unas con las otras de manera opuesta a las primeras superficies de emparejamiento (54).

6. El dispositivo de movilidad de cualquiera de las reivindicaciones 4 - 5, en el que la interfaz mecánica proporcio na una fijación mecánica que alinea el conjunto del actuador (10) y el componente accionado (200).

7. El dispositivo de movilidad de cualquiera de las reivindicaciones 2 - 6, en el que cada bolsa retraída (50) incluye un elemento magnético respectivo de la pluralidad de elementos magnéticos (52).

8. El dispositivo de movilidad de la reivindicación 7, en el que cada característica de emparejamiento realzada (204) incluye un elemento magnético respectivo de la pluralidad de elementos magnéticos (210) de polaridad opuesta en relación con un elemento magnético (52) de una bolsa retraída opuesta (50).

9. El dispositivo de movilidad de cualquiera de las reivindicaciones 1 - 8, en el que en el miembro de accionamien to rotativo (32) la polaridad es la misma para todos los elementos magnéticos (52), y en el componente accio nado (200) la polaridad es la misma para todos los elementos magnéticos (210) y opuesta a la polaridad de los elementos magnéticos (52) en el miembro de accionamiento rotativo.

10. El dispositivo de movilidad de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que el sistema de acoplamiento magnético comprende un sistema de fijación magnética que alinea el elemento de accionamiento rotativo (32) y el componente accionado (200), incluyendo el sistema de fijación magnética elementos magnéticos (52, 210) en cada uno de los elementos de accionamiento rotativos (32) y siendo instalado el componente accionado (200) con polaridad alterna y opuesta.

11. El dispositivo de movilidad de cualquiera de las reivindicaciones 1 - 6, en el que uno del conjunto de actuadores (10) y el componente accionado (200) incluye elementos magnéticos (52, 210), y el otro del conjunto de actuadores (10) y el componente accionado (200) incluye discos ferrosos opuestos a los elementos magnéticos (52, 210).

12. El dispositivo de movilidad de cualquiera de las reivindicaciones 1 - 11, en el que el miembro de accionamiento rotativo comprende un carrete de salida (32) del conjunto de accionadores (10) que acciona el componente ac cionado (200).

13. El dispositivo de movilidad de cualquiera de las reivindicaciones 1 - 12, en el que el dispositivo de movilidad es un dispositivo exoesquelético de movilidad de pierna (100) que comprende:

un componente de cadera (110);

al menos un conjunto de muslo (108R, 108L) incluyendo el conjunto de actuador (10) conectado al compo nente de cadera (110) en una articulación de cadera (102R, 102L); y

el componente accionado (200) es al menos un conjunto de pantorrilla (106R, 106L) que está acoplado magnéticamente a el al menos un conjunto de muslo (108R, 108L) por el sistema de acoplamiento magné tico en una articulación de rodilla (104R, 104L).