ES2963260T3 - Estructura de exoesqueleto - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a una estructura de exoesqueleto que comprende un conjunto de pelvis, un primer conjunto de miembro inferior, un segundo conjunto de miembro inferior y un conjunto de espalda, comprendiendo la estructura una pluralidad de articulaciones de pivote (27, 28, 29, 193) que conectan cada uno de los miembros inferiores. conjuntos de extremidades y el conjunto de espalda al conjunto de pelvis y que permiten movimientos de abducción o aducción de las extremidades inferiores del usuario, un movimiento relativo de inclinación lateral de la columna del usuario con respecto a la pelvis del usuario, y un movimiento de torsión de la columna vertebral. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Estructura de exoesqueleto
Campo de la invención
La presente invención se refiere a una estructura de exoesqueleto.
Estado de la técnica
En el ámbito militar, los soldados de infantería suelen llevar mochilas para transportar el equipo. Cuando los soldados de infantería realizan misiones prolongadas, la mochila puede pesar hasta 50 kilogramos. El peso de la mochila puede reducir en gran medida la movilidad del soldado de infantería y generar un mayor gasto metabólico.
Además, la mochila descansa generalmente sobre los hombros o las caderas del usuario, lo que puede provocar trastornos musculoesqueléticos en los hombros, presión en la piel e incluso síntomas neurológicos periféricos debidos a la compresión nerviosa (hormigueo).
Las soluciones actuales consisten en distribuir el peso de la mochila tanto sobre los hombros mediante tirantes como sobre las caderas mediante un cinturón. Sin embargo, estas soluciones no proporcionan un alivio total al usuario.
Los exoesqueletos de ayuda al esfuerzo son estructuras mecánicas que duplican la estructura del esqueleto humano y permiten mejorar las capacidades físicas del cuerpo humano.
Se han propuesto ciertas estructuras de exoesqueleto que permiten que el peso de la mochila descanse sobre el suelo.
Sin embargo, las estructuras de exoesqueleto conocidas (a veces denominadas "robots andantes") son muy voluminosas y reducen la movilidad del usuario. Un exoesqueleto se describe en el documento US3358678A.
Sumario de la invención
Uno de los objetivos de la invención es proporcionar una solución que permita aliviar a un usuario de una parte significativa del peso de su mochila, sin reducir la movilidad de los hombros, el tronco y la pelvis del usuario durante la marcha o la carrera.
Este objetivo se consigue en el marco de la presente invención mediante una estructura de exoesqueleto que comprende :
• un conjunto de pelvis que comprende un cinturón adecuado para rodear la pelvis de un usuario para fijar el conjunto de pelvis a la pelvis del usuario,
• un primer conjunto de miembro inferior adecuado para ser fijado a un primer miembro inferior del usuario, • una primera conexión pivotante que conecta el primer conjunto del miembro inferior al conjunto de la pelvis, permitiendo la primera conexión pivotante la rotación del primer conjunto del miembro inferior con respecto al conjunto de la pelvis durante un movimiento de abducción o aducción del primer miembro inferior,
• un segundo conjunto de miembro inferior apto para ser fijado a un segundo miembro inferior del usuario, • una segunda conexión pivotante que conecta el segundo conjunto del miembro inferior al conjunto de la pelvis, permitiendo la segunda conexión pivotante la rotación del segundo conjunto del miembro inferior con respecto al conjunto de la pelvis durante un movimiento de abducción o aducción del segundo miembro inferior,
• un conjunto de espalda que comprende un arnés adecuado para ser fijado al tórax del usuario,
• un mecanismo de columna vertebral que une el conjunto de la espalda al conjunto de la pelvis,
• una tercera conexión pivotante que conecta el mecanismo de la columna vertebral al conjunto de la pelvis, permitiendo la tercera conexión pivotante la rotación del conjunto de la pelvis con respecto al conjunto de la espalda durante un movimiento relativo de inclinación lateral de la columna vertebral del usuario con respecto a la pelvis del usuario,
• un tercer miembro capaz de generar un tercer par de torsión tendente a oponerse a la rotación del conjunto de pelvis con respecto al conjunto de espalda durante el movimiento relativo de inclinación lateral del raquis con respecto a la pelvis, y
en el que el mecanismo de la columna vertebral comprende una cuarta conexión pivotante que permite la rotación del conjunto de la espalda con respecto al conjunto de la pelvis durante un movimiento de torsión de la columna vertebral.
La estructura de exoesqueleto propuesta permite transferir la carga ejercida sobre el conjunto de la espalda al primer conjunto de miembro inferior y al segundo conjunto de miembro inferior, siendo compatible con los grados de libertad de la pelvis, el raquis (es decir, la columna vertebral) y los hombros que son sometidos a esfuerzos al caminar o correr.
Los grados de movilidad proporcionados por la primera conexión pivotante, la segunda conexión pivotante y la tercera conexión pivotante permiten diseñar una estructura en la que la carga se transfiere alternativamente al primer miembro inferior del usuario y después al segundo miembro inferior del usuario, durante la marcha o la carrera.
En particular, la tercera conexión pivotante permite que el mecanismo de la columna vertebral oscile con respecto al conjunto de la pelvis (un movimiento oscilante que se produce de forma natural al caminar o correr), mientras que el tercer miembro contrarresta el par generado por la carga y ejercido sobre el conjunto de la espalda debido a la presencia de la tercera conexión pivotante. El tercer miembro impide que esta torsión se transmita a la columna vertebral del usuario.
Además, la cuarta conexión pivotante permite un movimiento alternativo de torsión de la columna vertebral que acompaña al movimiento de la espalda en relación con la pelvis.
La estructura de exoesqueleto propuesta puede tener además las siguientes características:
• la estructura de exoesqueleto comprende un primer miembro capaz de generar un primer par de torsión tendente a oponerse a la rotación del primer conjunto del miembro inferior con respecto al conjunto de la pelvis durante un movimiento de aducción del primer miembro inferior,
• la estructura de exoesqueleto comprende un segundo miembro capaz de generar un segundo par de torsión tendente a oponerse a la rotación del segundo conjunto del miembro inferior con respecto al conjunto de la pelvis durante un movimiento de aducción del segundo miembro inferior,
• el primer miembro o el segundo miembro o el tercer miembro comprende un elemento de retorno elástico entre el primer conjunto de miembro inferior o el segundo conjunto de miembro inferior o el conjunto de espalda y el conjunto de pelvis, generando el elemento de retorno elástico una fuerza de retorno que tiende a oponerse a la rotación del primer conjunto de miembro inferior o el segundo conjunto de miembro inferior o el conjunto de espalda con respecto al conjunto de pelvis,
• el elemento elástico de retorno comprende una pieza en forma de espiral que tiene un primer extremo conectado al conjunto de pelvis y un segundo extremo, opuesto al primero, apto para ser sometido a esfuerzo por el primer conjunto de miembro inferior o el segundo conjunto de miembro inferior o el conjunto de espalda durante la rotación del primer conjunto de miembro inferior o el segundo conjunto de miembro inferior o el conjunto de espalda con respecto al conjunto de pelvis,
• la estructura de exoesqueleto comprende un primer tope adecuado para ser fijado al conjunto de pelvis, de manera que en un primer intervalo angular de rotación del primer conjunto de miembro inferior o del segundo conjunto de miembro inferior con respecto al conjunto de pelvis, entrando en contacto el elemento de retorno elástico con el primer tope y ejerce a través del primer tope, sobre el primer conjunto de miembro inferior o el segundo conjunto de miembro inferior una fuerza de retorno que tiende a oponerse al movimiento de aducción del miembro inferior, y en un segundo intervalo angular, el elemento de retorno elástico ya no está en contacto con el primer tope y ya no ejerce una fuerza de retorno sobre el conjunto de miembro inferior,
• la estructura de exoesqueleto comprende medios para ajustar la posición del primer tope en relación con el conjunto de pelvis para ajustar un ángulo de transición entre el primer intervalo angular y el segundo intervalo angular,
• los medios para ajustar la posición del primer tope comprenden una ranura y un pasador deslizable montado dentro de la ranura,
• la estructura de exoesqueleto un segundo tope fijado al conjunto del miembro inferior y adecuado para tensar el elemento de retorno elástico a fin de ejercer una precarga elástica sobre el elemento de retorno elástico, • la estructura del exoesqueleto comprende medios para ajustar la posición del segundo tope en relación con el conjunto del miembro inferior,
• el mecanismo de la columna vertebral comprende una parte inferior de la columna vertebral conectada al conjunto de la pelvis a través de la tercera conexión pivotante y una parte superior de la columna vertebral conectada al conjunto de la espalda a través de una quinta conexión de rótula que permite la rotación del conjunto de la espalda con respecto al mecanismo de la columna vertebral durante un movimiento de inclinación lateral y durante un movimiento de flexión/extensión de la columna vertebral del usuario,
• la parte superior de la columna vertebral está adaptada para deslizarse longitudinalmente con respecto a la parte inferior de la columna vertebral, el mecanismo de la columna vertebral comprende además un miembro de retorno elástico adecuado para generar una fuerza de retorno elástica que tiende a oponerse al deslizamiento de la parte superior de la columna vertebral con respecto a la parte inferior de la columna vertebral tras la compresión vertical de la columna vertebral del usuario,
• el dispositivo de amortiguación comprende un cilindro y un pistón adecuado para deslizarse dentro del cilindro, estando uno del pistón y el cilindro montado fijamente con respecto a la parte superior de la columna vertebral y el otro del pistón y el cilindro montado fijamente con respecto a la parte inferior de la columna vertebral,
• la parte superior de la columna vertebral está conectada a la parte inferior de la columna vertebral mediante la cuarta conexión pivotante que permite la rotación de la parte superior de la columna vertebral con respecto a la parte inferior de la columna vertebral alrededor de un eje longitudinal del mecanismo de la columna vertebral durante el movimiento de torsión de la columna vertebral del usuario,
• la estructura de exoesqueleto comprende medios de ajuste que permiten ajustar la distancia entre la primera conexión pivotante y la segunda conexión pivotante,
• los medios de ajuste comprenden una o más ranuras y uno o más pasadores montados de forma deslizante dentro de la ranura o ranuras.
Presentación de dibujos
Otras características y ventajas de la invención se desprenderán de la siguiente descripción, que es puramente ilustrativa y no limitativa, y debe leerse junto con las figuras adjuntas, en las que:
• la figura 1 muestra una vista frontal esquemática de una estructura de exoesqueleto de acuerdo con una realización de la invención,
• la figura 2 muestra esquemáticamente una parte trasera de la estructura del exoesqueleto de la figura 1,
• las figuras 3 y 4 muestran esquemáticamente la primera conexión pivotante, la segunda conexión pivotante y la tercera conexión pivotante de la estructura del exoesqueleto,
• la figura 5 representa esquemáticamente la primera conexión pivotante, la segunda conexión pivotante y la tercera conexión pivotante de la estructura del exoesqueleto, cuando la tercera conexión pivotante está en su posición inicial,
• la figura 6 representa esquemáticamente la primera conexión pivotante, la segunda conexión pivotante y la tercera conexión pivotante de la estructura del exoesqueleto, cuando la tercera conexión pivotante está en posición inclinada,
• las figuras 7 a 9 muestran esquemáticamente la primera conexión pivotante, el primer miembro generador de par, un mecanismo de ajuste de la precarga y un mecanismo de ajuste de la posición de tope asociado,
• la figura 10 muestra esquemáticamente los medios para ajustar la distancia entre la primera conexión pivotante y la segunda conexión pivotante.
Descripción detallada de una realización
En la figura 1, la estructura de exoesqueleto 1 mostrada comprende un conjunto de pelvis 2, un primer conjunto de miembro inferior 3, un segundo conjunto de miembro inferior 4, un conjunto de espalda 5, un primer conjunto de miembro superior 6 y un segundo conjunto de miembro superior 7.
El conjunto de pelvis 2 comprende un cinturón lumbar 21 adecuado para rodear la pelvis de un usuario para fijar el conjunto de pelvis a la pelvis del usuario. El conjunto de pelvis 2 también puede incluir una unidad de control 22 y una batería 23, fijadas al cinturón lumbar 21. La unidad de control 22 está configurada para controlar diferentes actuadores de la estructura del exoesqueleto 1. La batería 23 suministra energía eléctrica a los distintos actuadores.
El primer conjunto de miembro inferior 3 es adecuado para ser fijado a un primer miembro inferior del usuario, por ejemplo el miembro inferior derecho (o pierna derecha). El primer conjunto de miembro inferior 3 puede comprender correas de sujeción para asegurar el primer conjunto de miembro inferior 3 al primer miembro inferior.
El segundo conjunto de miembro inferior 4 es adecuado para ser fijado a un segundo miembro inferior del usuario, por ejemplo el miembro inferior izquierdo (o pierna izquierda). El segundo conjunto de miembro inferior 4 puede comprender correas de sujeción para asegurar el segundo conjunto de miembro inferior 4 al segundo miembro inferior. El segundo conjunto de miembro inferior 4 es simétrico al primer conjunto de miembro inferior 3, con respecto a un plano sagital S del usuario cuando éste se encuentra en la posición anatómica de referencia.
"Posición anatómica de referencia" se refiere a la posición del usuario cuando está parado sobre un suelo horizontal, con los brazos colgando a los lados del cuerpo, los antebrazos y las manos en supinación, de acuerdo con el sistema anatómico de referencia. El plano S sagital es el plano que separa las mitades izquierda y derecha del cuerpo.
El primer conjunto de miembro superior 6 es adecuado para ser fijado a un primer miembro superior del usuario, por ejemplo el miembro superior derecho (o brazo derecho). El primer conjunto de miembro superior 6 comprende correas de sujeción para asegurar el primer conjunto de miembro superior 6 al primer miembro superior.
El segundo conjunto de miembro superior 7 es adecuado para ser fijado a un segundo miembro superior del usuario, por ejemplo el miembro superior izquierdo (o brazo izquierdo). El segundo conjunto de miembro superior 6 comprende correas de sujeción para asegurar el segundo conjunto de miembro superior 6 al segundo miembro superior.
El conjunto de espalda 5 comprende un arnés 53 adecuado para ser fijado al tórax del usuario. A tal fin, el arnés 53 puede comprender un conjunto de correas para sujetar el conjunto de espalda 5 al tórax.
La estructura del exoesqueleto 1 comprende además una primera articulación de cadera 8 que conecta el primer conjunto de miembro inferior 3 con el conjunto de pelvis 2 y una segunda articulación de cadera 9 que conecta el segundo conjunto de miembro inferior 4 con el conjunto de pelvis 2.
La estructura del exoesqueleto 1 comprende además una primera articulación de hombro 10 que conecta el primer conjunto de miembro superior 6 al conjunto de espalda 5 y una segunda articulación de hombro 11 que conecta el segundo conjunto de miembro superior 7 al conjunto de espalda 5.
Como se ilustra en la figura 2, la estructura del exoesqueleto 1 comprende además un mecanismo de columna vertebral 19 que se extiende a lo largo de la columna vertebral del usuario. El mecanismo de la columna vertebral 19 conecta el conjunto de la espalda 5 con el conjunto de la pelvis 2. El mecanismo de la columna vertebral 19 transfiere una carga ejercida sobre el conjunto de la espalda 5 al conjunto de la pelvis 2, por ejemplo el peso de una mochila.
El conjunto de pelvis 2 comprende una primera parte de cadera 24, una segunda parte de cadera 25, una parte de pelvis 26, una primera conexión pivotante 27, una segunda conexión pivotante 28 y una tercera conexión pivotante 29.
La parte de la pelvis 26 está unida al cinturón lumbar 21.
La primera parte de cadera 24 está conectada en uno de sus extremos al primer conjunto de miembro inferior 3 a través de la primera articulación de cadera 8 y en el otro extremo a la parte de pelvis 26 a través de la primera conexión pivotante 27. La primera conexión pivotante 27 permite la rotación del primer conjunto de miembro inferior 3 con respecto al conjunto de pelvis 2 durante un movimiento de abducción o aducción del primer miembro inferior. Para ello, la primera conexión pivotante 27 permite que la primera parte de la cadera 24 gire con respecto a la parte de la pelvis 26 alrededor de un primer eje de rotación X1 que es horizontal y paralelo al plano sagital del usuario, cuando éste se encuentra en la posición anatómica de referencia.
La segunda parte de cadera 25 está conectada en uno de sus extremos al segundo conjunto de miembro inferior 4 a través de la segunda articulación de cadera 9 y en el otro extremo a la parte de pelvis 26 a través de la segunda conexión pivotante 28. La segunda conexión pivotante 28 permite que el segundo conjunto de miembro inferior 4 gire con respecto al conjunto de pelvis 2 durante un movimiento de abducción o aducción del segundo miembro inferior. Para ello, la segunda conexión pivotante 28 permite que la segunda parte de la cadera 25 gire con respecto a la parte de la pelvis 26 alrededor de un segundo eje de rotación X2 que es horizontal y paralelo al plano sagital del usuario, cuando éste se encuentra en la posición anatómica de referencia. El segundo eje de rotación X2 es paralelo al primer eje de rotación X1.
El mecanismo de la columna vertebral 19 comprende una parte inferior de la columna vertebral 191, una parte superior de la columna vertebral 192 y una cuarta conexión pivotante 193.
La parte inferior de la columna vertebral 191 está conectada al conjunto de la pelvis 2 a través de la tercera conexión pivotante 29. La tercera conexión pivotante 29 permite que el conjunto de pelvis 2 gire con respecto al conjunto de espalda 5 cuando la pelvis del usuario se inclina lateralmente con respecto a la columna vertebral del usuario. Para ello, la tercera conexión pivotante 29 permite que la parte de pelvis 26 gire con respecto a la parte inferior de la columna vertebral 191 alrededor de un tercer eje de rotación X3, que es horizontal y paralelo al plano sagital del usuario, cuando éste se encuentra en la posición anatómica de referencia. El tercer eje de rotación X3 es paralelo al primer eje de rotación X1 y al segundo eje de rotación X2.
La parte superior 192 de la columna vertebral está montada de forma deslizante con respecto a la parte inferior 191 de la columna vertebral a lo largo de un eje longitudinal X4 del mecanismo 19 de la columna vertebral. Además, la cuarta conexión pivotante 193 permite que el conjunto de espalda 5 gire con respecto al conjunto de pelvis 2 durante un movimiento de torsión de la columna vertebral del usuario. Para ello, la cuarta conexión pivotante 193 permite que la parte superior 192 de la columna vertebral gire con respecto a la parte inferior 191 de la columna vertebral alrededor del eje longitudinal X4.
El mecanismo de la columna vertebral 19 comprende además un miembro de retorno elástico adecuado para generar una fuerza de retorno elástica que se opone al deslizamiento de la parte superior 192 de la columna vertebral con respecto a la parte inferior 191 de la columna vertebral. Más específicamente, el miembro de retorno elástico es adecuado para ejercer sobre la parte superior 192 de la columna vertebral una fuerza de retorno proporcional al desplazamiento relativo de la parte superior 192 de la columna vertebral con respecto a la parte inferior 191 de la columna vertebral durante la compresión axial de la columna vertebral. El miembro de retorno elástico puede comprender un cilindro y un pistón adecuado para deslizarse dentro del cilindro, estando uno del pistón y cilindro montado fijamente con respecto a la parte superior de la columna vertebral 192 y estando el otro del pistón y cilindro montado fijamente con respecto a la parte inferior de la columna vertebral 191. El pistón y el cilindro encierran una cámara que contiene aire a presión (es decir, a una presión superior a la atmosférica). Durante el desplazamiento axial de la parte superior 192 de la columna vertebral con respecto a la parte inferior 191 de la columna vertebral, que tiende a comprimir la columna vertebral, el aire contenido en la cámara es comprimido por el pistón. Como resultado, el aire comprimido ejerce una fuerza restauradora sobre el pistón que tiende a oponerse a la compresión de la columna vertebral. La rigidez del miembro de retorno elástico puede ajustarse variando la cantidad de aire presente en la cámara y/o el volumen de la cámara. Esto también permite ajustar la longitud del mecanismo de la columna vertebral para adaptarlo a la altura del usuario.
El conjunto de espalda 5 comprende una pieza de soporte 51 a la que puede fijarse una carga a transportar, por ejemplo una mochila, y una quinta conexión de rótula 52.
La parte superior de la columna vertebral 192 está conectada a la pieza de soporte 51 a través de la quinta conexión de rótula 52. La quinta conexión de rótula 52 permite que el conjunto de espalda 5 gire con respecto al conjunto de pelvis 2 cuando los hombros del usuario están inclinados lateralmente con respecto a la columna vertebral. Para ello, la quinta conexión de rótula 52 permite que la pieza de soporte 51 gire con respecto a la parte superior 192 de la columna vertebral alrededor de un quinto eje de rotación x 5. El quinto eje de rotación X5 es horizontal y paralelo al plano sagital del usuario, cuando éste se encuentra en la posición anatómica de referencia. De este modo, el quinto eje de rotación X5 es paralelo al tercer eje de rotación X3 cuando el usuario se encuentra en la posición anatómica de referencia.
La quinta conexión de rótula 52 también permite que el conjunto de espalda 5 gire con respecto al conjunto de pelvis 2 durante un movimiento de flexión/extensión de la columna vertebral del usuario. Para ello, la quinta conexión de rótula 52 permite que la pieza de soporte 51 gire con respecto a la parte superior 192 de la columna vertebral alrededor de un sexto eje de rotación X6. El sexto eje de rotación X6 es horizontal y perpendicular al plano sagital del usuario, cuando éste se encuentra en la posición anatómica de referencia.
Las figuras 3 y 4 ilustran la primera conexión pivotante 27, la segunda conexión pivotante 28 y la tercera conexión pivotante 29 con más detalle.
La primera conexión pivotante 27 comprende un primer rotor 271 y un primer estator 272. El primer rotor 271 está montado fijamente en la primera parte de cadera 24. El primer estator 272 está montado fijamente en la parte de pelvis 26.
La segunda conexión pivotante 28 comprende un segundo rotor 281 y un segundo estator 282. El segundo rotor 281 está fijado a la segunda parte de cadera 25. El segundo estator 282 está montado fijamente en la parte de pelvis 26.
La tercera conexión pivotante 29 comprende un tercer rotor 291 y un tercer estator 292. El tercer rotor 291 está montado fijamente en la parte inferior de la columna vertebral 191. El segundo estator 292 está montado fijamente en la parte de pelvis 26.
Además, la estructura del exoesqueleto 1 comprende un primer miembro 12 capaz de generar un primer par de torsión tendente a oponerse a la rotación del primer rotor 271 con respecto al primer estator 272 durante un movimiento de abducción o aducción del primer miembro inferior.
La estructura del exoesqueleto 1 comprende también un segundo miembro 13 capaz de generar un segundo par de torsión tendente a oponerse a la rotación del segundo rotor 281 con respecto al segundo estator 282 durante un movimiento de abducción o aducción del segundo miembro inferior.
La estructura del exoesqueleto comprende también un tercer miembro 14 capaz de generar un tercer par de torsión tendente a oponerse a la rotación del tercer rotor 291 con respecto al tercer estator 292 durante el movimiento de inclinación lateral de la pelvis.
El primer miembro 12, el segundo miembro 13 o el tercer miembro 14 pueden ser un miembro activo (es decir, un accionador que requiere un suministro de energía eléctrica para generar el primer par, como un motor eléctrico, por ejemplo) o un miembro pasivo (es decir, que no requiere un suministro de energía eléctrica, como un muelle, por ejemplo).
En el ejemplo ilustrado en las figuras 4 a 6, el tercer miembro 14 comprende uno o más elementos elásticos de retorno 141 que conectan el conjunto de espalda 5 al conjunto de pelvis. La rotación del conjunto de pelvis 2 con respecto al conjunto de espalda 5 provoca la deformación del elemento o elementos elásticos de retorno 141, siendo el efecto de esta deformación que el elemento elástico de retorno 141 genera un par de retorno que tiende a oponerse a esta rotación.
En el ejemplo ilustrado en las figuras 4 a 6, el elemento de retorno elástico 141 comprende una pieza en forma de espiral 140 que tiene un primer extremo 142 (en el centro de la espiral) conectado al conjunto de pelvis 2 y un segundo extremo 143 (alejado del centro de la espiral), opuesto al primer extremo 142, conectado al mecanismo de la columna vertebral 19. Más específicamente, el primer extremo 142 está unido al tercer estator 292 y el segundo extremo 143 está unido al tercer rotor 291.
La figura 5 muestra el elemento de retorno elástico 141 cuando el usuario se encuentra en la posición anatómica de referencia. En esta posición, el elemento de retorno elástico 141 no ejerce ningún par.
La figura 6 muestra el elemento de retorno elástico 141 cuando el usuario inclina lateralmente la columna vertebral con respecto a la pelvis. La pieza en forma de espiral 140 está dispuesta de manera que la rotación del conjunto de espalda 5 con respecto al conjunto de pelvis 2 en una primera dirección (flecha A) hace que la pieza en forma de espiral 140 se enrolle, y la rotación del conjunto de espalda 5 con respecto al conjunto de pelvis 2 en una segunda dirección (flecha B), opuesta a la primera, hace que la pieza en forma de espiral 140 se desenrolle.
Las figuras 7 a 9 ilustran la primera conexión pivotante 27 con más detalle.
En el ejemplo ilustrado en las figuras 7 a 9, el primer miembro 12 comprende un elemento de retorno elástico 121 que conecta el primer conjunto de miembro inferior 3 al conjunto de pelvis 2. La rotación del primer conjunto de miembro inferior 3 con respecto al conjunto de pelvis 2 provoca la deformación del elemento elástico 121, deformación que hace que el elemento elástico de retorno 121 genere un par de retorno que tiende a oponerse a esta rotación.
En el ejemplo ilustrado en las figuras 7 a 9, el elemento de retorno elástico 121 comprende una pieza en forma de espiral 120 que tiene un primer extremo 122 (en el centro de la espiral) conectado al conjunto de pelvis 2 y un segundo extremo 123 (alejado del centro de la espiral), opuesto al primer extremo 122, y adecuado para ser impulsado por el primer conjunto de miembro inferior 3 durante la rotación relativa del conjunto de pelvis 2 con respecto al primer conjunto de miembro inferior 3. Más específicamente, el primer extremo 122 está unido al primer rotor 271, que es integral con la primera parte de cadera 24.
La figura 7 muestra el elemento de retorno elástico 121 cuando el usuario se encuentra en la posición anatómica de referencia. En esta posición, el elemento de retorno elástico 121 no ejerce ningún par.
Durante un movimiento de abducción o aducción del primer miembro inferior, el primer conjunto de miembro inferior 3 gira con respecto al conjunto de pelvis 2. Esto tiene el efecto de deformar el elemento de retorno elástico 121 de modo que el elemento de retorno elástico 121 genera un par de retorno que tiende a oponerse a esta rotación.
La pieza en forma de espiral 120 está dispuesta de manera que la rotación del conjunto de miembro inferior 3 con respecto al conjunto de pelvis 2 en una primera dirección de rotación correspondiente a un movimiento de aducción (flecha C) hace que la pieza en forma de espiral 120 se enrolle, y la rotación del conjunto de miembro inferior 3 con respecto al conjunto de pelvis 2 en una segunda dirección correspondiente a un movimiento de abducción (flecha D), opuesta a la primera dirección, hace que la pieza en forma de espiral 120 se desenrolle.
Además, la estructura del exoesqueleto 1 comprende un primer tope 15 adecuado para ser fijado al conjunto de pelvis 2 de manera que :
• en un primer intervalo angular de rotación del primer conjunto de miembro inferior 3 con respecto al conjunto de pelvis 2, el miembro de retorno elástico 121 entra en contacto con el primer tope 15 y ejerce, a través del primer tope 15, sobre el primer conjunto de miembro inferior 3 una fuerza de retorno que tiende a oponerse al movimiento de aducción del miembro inferior, y
• en un segundo intervalo angular, el miembro de retorno elástico 121 deja de estar en contacto con el primer tope 15 y deja de ejercer una fuerza de retorno sobre el conjunto del miembro inferior.
El primer tope 15 puede comprender un tornillo 151 fijado a la parte de pelvis 26 de modo que el extremo del tornillo 151 actúe sobre el segundo extremo 123 de la pieza en forma de espiral 120 únicamente en el primer intervalo angular.
La estructura del exoesqueleto 1 comprende además medios de ajuste 16 que permiten ajustar la posición del primer tope 15 con respecto al conjunto de pelvis 2. Los medios de ajuste 16 comprenden una o más ranuras 161 fijadas con respecto a la parte de pelvis 26 y uno o más pasadores 162 montados de manera que se deslicen dentro de la ranura o ranuras 161. Más concretamente, los medios de ajuste 16 comprenden una primera pieza de ajuste 163 que tiene un orificio pasante con una rosca interior. El tornillo 151 se enrosca en el orificio. Los pasadores 162 están fijamente montados en la primera pieza de ajuste 163. La posición de la primera pieza de ajuste 163 puede modificarse deslizando los pasadores 162 en las ranuras 161. Las ranuras 161 pueden estar formadas en el estator 272 de la primera conexión pivotante 27. En el ejemplo mostrado en las figuras 7 a 9, los medios de ajuste 16 comprenden dos ranuras 161 y tres pasadores 162 montados de forma deslizante dentro de las ranuras 161 para guiar el movimiento de la primera parte de ajuste 163 con respecto a la parte de pelvis 26. Los pasadores 162 pueden estar formados por tornillos.
Como se ilustra en la figura 9, los medios de ajuste 16 permiten modificar el límite entre el primer y el segundo intervalo angular, ajustando la posición de la pieza de ajuste 163 con respecto al conjunto de pelvis 2 y ajustando la posición del tornillo 151 en el orificio roscado.
La estructura del exoesqueleto 1 comprende además un segundo tope 17 fijado al primer conjunto de miembro inferior 3 y capaz de tensar el miembro de retorno elástico 121 para ejercer un pretensado elástico sobre el miembro de retorno elástico 121. El segundo tope 17 puede comprender un tornillo 171 fijado a la parte de la cadera 24, de modo que el extremo del tornillo 171 encaje permanentemente en el segundo extremo 123 de la pieza en forma de espiral 120.
La estructura del exoesqueleto 1 comprende además medios 18 para ajustar la posición del segundo tope 17 con respecto al primer conjunto de miembro inferior 3. Los medios de ajuste 18 comprenden una segunda parte de ajuste 183 montada fijamente en la primera parte de cadera 24. La segunda pieza de ajuste 183 tiene un orificio pasante con una rosca interior. El tornillo 171 se enrosca en el orificio.
Como se ilustra en la figura 8, los medios de ajuste 18 permiten modificar la precarga ejercida sobre el miembro de retorno elástico 121 ajustando la posición del tornillo 171 en el orificio roscado.
Cabe señalar que la segunda conexión pivotante 28 comprende partes similares a las de la primera conexión pivotante 27, estando las partes de la segunda conexión pivotante 28 dispuestas simétricamente a las partes de la primera conexión pivotante 27 con respecto al plano sagital del usuario. En particular, la estructura del exoesqueleto 1 comprende un segundo miembro de retorno elástico 131, dispuesto simétricamente al primer miembro de retorno elástico 121, así como un primer tope y un segundo tope.
El miembro de retorno elástico 131 comprende una pieza en forma de espiral 130 que tiene un primer extremo 132 (en el centro de la espiral) conectado al conjunto de pelvis 2 y un segundo extremo 133 (alejado del centro de la espiral), opuesto al primer extremo 132, y adecuado para ser tensionado por el segundo conjunto de miembro inferior 4 durante la rotación relativa del conjunto de pelvis 2 con respecto al segundo conjunto de miembro inferior 4. Más específicamente, el primer extremo 132 está unido al segundo rotor 281, que es integral con la segunda parte de cadera 25.
Como se ilustra en la figura 10, la estructura del exoesqueleto 1 comprende además medios de ajuste 30 que permiten ajustar la distancia entre el primer eje de rotación X1 y el segundo eje de rotación X2.
En el ejemplo mostrado en la figura 10, los medios de ajuste 30 comprenden una o más ranuras 31 fijadas en relación con el estator 272 de la primera conexión pivotante 27, una o más ranuras 32 fijadas en relación con el estator 282 de la segunda conexión pivotante 28, y uno o más pasadores 33 montados fijamente en relación con la parte de pelvis 26. El (los) pasador(es) 33 está(n) montado(s) de forma deslizante dentro de las ranuras 31 y 32. Más concretamente, los medios de ajuste 30 comprenden una primera pieza de ajuste 34 fijada al primer estátor 272. La primera pieza de ajuste 34 tiene dos ranuras horizontales 31. Del mismo modo, los medios de ajuste 30 comprenden una segunda pieza de ajuste 35 fijada al segundo estator 282. La segunda pieza de ajuste 35 también tiene dos ranuras horizontales 32. Los medios de ajuste 30 comprenden dos primeros pasadores 33 fijados a la parte de pelvis 26, cada uno de los cuales puede deslizarse dentro de una primera ranura 31 respectiva para mover la primera conexión pivotante 27 con respecto al conjunto de pelvis 2 en una dirección perpendicular a los ejes X1 y X2. Los medios de ajuste 30 comprenden dos segundos pasadores 33 fijados a la parte de pelvis 26, cada uno de los cuales puede deslizarse dentro de una segunda ranura 32 respectiva para mover la segunda conexión pivotante 28 con respecto al conjunto de pelvis 2 en una dirección perpendicular a los ejes X1 y X2.
Los medios de ajuste 30 permiten así ajustar la separación entre los ejes de rotación X1 y X2, de manera que estos ejes estén alineados con las cabezas femorales del usuario, para que correspondan a los ejes de abducción/aducción de las caderas del usuario.
Por último, la estructura del exoesqueleto 1 también puede comprender dispositivos de amortiguación dispuestos en paralelo con las conexiones pivotantes 27, 28, 29, 193 y la conexión de rótula 52 para amortiguar el movimiento de las distintas partes entre sí. Si los componentes 12, 13 y 14 son componentes activos, como motores eléctricos por ejemplo, estos componentes pueden actuar como dispositivos de amortiguación para las conexiones pivotantes 27, 28 y 29.
En funcionamiento, cuando el usuario camina, éste se apoya alternativamente sobre su primera extremidad inferior (pierna derecha) y sobre su segunda extremidad inferior (pierna izquierda), lo que provoca una ligera oscilación del mecanismo de la columna vertebral 19 con respecto al conjunto de pelvis 2.
Durante una primera fase del ciclo de marcha, cuando el usuario presiona sobre su primer miembro inferior (pierna derecha), la carga generada por el peso de la mochila tiene como efecto el hundimiento de la pelvis del lado izquierdo. Por lo tanto, la parte inferior de la columna vertebral 191 tiende a pivotar con respecto a la parte de la pelvis 26, en la primera dirección de rotación (flecha A), alrededor del tercer eje de rotación X3.
La rotación de la parte inferior de la columna vertebral 191 en la primera dirección tiene el efecto de deformar el tercer miembro de retorno elástico 141, lo que genera un par que tiende a girar el conjunto de pelvis 2 con respecto al primer conjunto de miembro inferior 3 (en la dirección de la flecha C) y con respecto al segundo conjunto de miembro inferior 4.
La acción del primer miembro de retorno elástico 121 y del segundo miembro de retorno elástico 131 tiene como efecto que toda o parte de la carga generada por el peso de la mochila ejercida sobre el conjunto de espalda 5 sea transferida por el primer miembro de retorno elástico 121 al primer conjunto de miembro inferior 3 a través de la primera parte de cadera 24 y la primera articulación de cadera 8.
A la inversa, la fracción de la carga transmitida al segundo conjunto de miembro inferior 4 se reduce considerablemente, lo que permite al usuario levantar su segundo miembro inferior del suelo sin ejercer un esfuerzo excesivo.
Durante una segunda fase del ciclo de marcha, cuando el usuario presiona sobre su segunda extremidad inferior (pierna izquierda), la carga generada por el peso de la mochila tiene el efecto de hundir la pelvis del lado derecho. La parte inferior de la columna vertebral 191 tiende a pivotar con respecto a la parte de la pelvis 26, en el segundo sentido de rotación (flecha B), opuesto al primer sentido de rotación, alrededor del tercer eje de rotación X3.
La rotación de la parte inferior de la columna vertebral 191 en la segunda dirección tiene el efecto de deformar el tercer miembro de retorno elástico 121, lo que genera un par que tiende a girar el conjunto de pelvis 2 con respecto al primer conjunto de miembro inferior 3 (en la dirección de la flecha D) y con respecto al segundo conjunto de miembro inferior 4, en la dirección opuesta.
La acción del primer miembro de retorno elástico 121 y del segundo miembro de retorno elástico 131 tiene como efecto que toda o parte de la carga generada por el peso de la mochila ejercida sobre el conjunto de espalda 5 sea transferida por el segundo miembro de retorno elástico 131 al segundo conjunto de miembro inferior 4 a través de la segunda parte de cadera 25 y de la segunda articulación de cadera 9.
A la inversa, la fracción de la carga transmitida al primer conjunto de miembro inferior 3 se reduce considerablemente, permitiendo al usuario levantar su primer miembro inferior del suelo sin ejercer un esfuerzo excesivo.
Durante el ciclo de marcha, la carga se transfiere así alternativamente al primer conjunto de miembro inferior 3 y al segundo conjunto de miembro inferior 4, sin pasar por la pelvis del usuario. El par resultante de la deformación de los elementos elásticos de retorno 121 y 131 permite soportar la carga en el lado en contacto con el suelo, mientras que el lado opuesto se libera de la carga.
Gracias a la disposición de los tres conexiones pivotantes y a los miembros de retorno elásticos, la carga se transfiere siempre al conjunto de la extremidad inferior que está en contacto con el suelo. El otro conjunto de miembro inferior soporta sólo una fracción reducida de la carga para que el usuario pueda levantar fácilmente el miembro inferior correspondiente.
Además, cuando el usuario está parado, en la posición anatómica de referencia, el primer conjunto de miembro inferior 3 y el segundo conjunto de miembro inferior 4 de la estructura de exoesqueleto 1 están simultáneamente en contacto con el suelo. En esta posición, la estructura del exoesqueleto 1 propuesta permite que la carga generada por el peso de la mochila se reparta por igual entre los dos conjuntos de extremidades inferiores.
Claims (16)
1. Estructura de exoesqueleto (1) que comprende :
- un conjunto de pelvis (2) que comprende un cinturón (21) adecuado para rodear la pelvis de un usuario para fijar el conjunto de pelvis (2) a la pelvis del usuario,
- un primer conjunto de miembro inferior (3) adecuado para ser fijado a un primer miembro inferior del usuario, - una primera conexión pivotante (27) que conecta el primer conjunto de miembro inferior (3) al conjunto de pelvis (2), permitiendo la primera conexión pivotante (27) la rotación del primer conjunto de miembro inferior (3) con respecto al conjunto de pelvis (2) durante un movimiento de abducción o aducción del primer miembro inferior, - un primer miembro (12) apto para generar un primer par de torsión tendente a oponerse a la rotación del primer conjunto de miembro inferior (3) con respecto al conjunto de pelvis (2) durante un movimiento de aducción del primer miembro inferior, comprendiendo el primer miembro (12) un primer elemento de retorno elástico (121) entre el primer conjunto de miembro inferior (3) y el conjunto de pelvis (2), generando el primer elemento de retorno elástico (121) una fuerza de retorno que tiende a oponerse a la rotación del primer conjunto de miembro inferior (3) con respecto al conjunto de pelvis (2),
- un primer tope (15) adecuado para ser fijado al conjunto de pelvis (2) de manera que en un primer intervalo angular de rotación del primer conjunto de miembro inferior (3), el primer elemento de retorno elástico (121) entre en contacto con el primer tope y ejerza, a través del primer tope, en el primer conjunto de miembro inferior (3) una fuerza de retorno que tiende a oponerse al movimiento de aducción del miembro inferior, y en un segundo intervalo angular, el primer elemento de retorno elástico (121) ya no está en contacto con el primer tope y ya no ejerce una fuerza de retorno sobre el conjunto de miembro inferior (3),
- un segundo conjunto de miembro inferior (4) adecuado para ser fijado a un segundo miembro inferior del usuario,
- una segunda conexión pivotante (28) que conecta el conjunto del segundo miembro inferior (4) al conjunto de la pelvis (2), permitiendo la segunda conexión pivotante (28) la rotación del conjunto del segundo miembro inferior (4) con respecto al conjunto de la pelvis (2) durante un movimiento de abducción o aducción del segundo miembro inferior,
- un conjunto de espalda (5) que comprende un arnés (53) adecuado para ser fijado al tórax del usuario, - un mecanismo de columna vertebral (19) que conecta el conjunto de espalda (5) al conjunto de pelvis (2), - una tercera conexión pivotante (29) que conecta el mecanismo de la columna vertebral (19) al conjunto de la pelvis (2), permitiendo la tercera conexión pivotante (29) la rotación del conjunto de la pelvis (2) con respecto al conjunto de la espalda (5), durante un movimiento relativo de inclinación lateral de la columna vertebral del usuario con respecto a la pelvis del usuario,
- un tercer miembro (14) capaz de generar un tercer par de torsión tendente a oponerse a la rotación del conjunto de pelvis con respecto al conjunto de espalda (5) durante el movimiento relativo de inclinación lateral de la columna vertebral con respecto a la pelvis, y
en la que el mecanismo de la columna vertebral (19) comprende una cuarta conexión pivotante (193) que permite la rotación del conjunto de espalda (5) con respecto al conjunto de pelvis (2) durante un movimiento de torsión de la columna vertebral.
2. Estructura de exoesqueleto según la reivindicación 1, que comprende un segundo miembro (13) capaz de generar un segundo par de torsión tendente a oponerse a la rotación del segundo conjunto de miembro inferior (4) con respecto al conjunto de pelvis (2) durante un movimiento de aducción del segundo miembro inferior.
3. Una estructura de exoesqueleto según la reivindicación 2, en la que el segundo miembro (13) comprende un segundo elemento de retorno elástico (131) entre el segundo conjunto de miembro inferior (4) y el conjunto de pelvis (2), generando el segundo elemento de retorno elástico (131) una fuerza de retorno tendente a oponerse a la rotación del segundo conjunto de miembro inferior (4) con respecto al conjunto de pelvis (2).
4. Estructura de exoesqueleto según una de las reivindicaciones 1 a 3, en la que el tercer miembro (14) comprende un tercer elemento de retorno elástico (141) entre el conjunto de espalda (5) y el conjunto de pelvis (2), generando el tercer elemento de retorno elástico (141) una fuerza de retorno tendente a oponerse a la rotación del conjunto de espalda (5) con respecto al conjunto de pelvis (2).
5. Estructura de exoesqueleto según la reivindicación 4, en la que uno de los elementos elásticos de retorno (121, 131, 141) comprende una pieza en forma de espiral (120, 130, 140) que tiene un primer extremo (122, 132, 142) conectado al conjunto de pelvis (2) y un segundo extremo (123, 133, 143), opuesto al primer extremo, adecuada para ser sometida a esfuerzo por el primer conjunto de miembro inferior (3) o el segundo conjunto de miembro inferior (4) o el conjunto de espalda (5) durante la rotación del primer conjunto de miembro inferior (3) o el segundo conjunto de miembro inferior (4) o el conjunto de espalda (5) con respecto al conjunto de pelvis (2).
6. Estructura de exoesqueleto según una de las reivindicaciones 4 y 5, que comprende un primer tope (15) capaz de ser fijado al conjunto de pelvis (2) de manera que en un primer intervalo angular de rotación del primer conjunto de miembro inferior (3) o del segundo conjunto de miembro inferior (4) con respecto al conjunto de pelvis (2), entrando en contacto el elemento de retorno elástico (121, 131) contra el primer tope y ejerce, a través del primer tope, sobre el primer conjunto de miembro inferior (3) o el segundo conjunto de miembro inferior (4) una fuerza de retorno tendente a oponerse al movimiento de aducción del miembro inferior, y en un segundo intervalo angular, el elemento de retorno elástico (121, 131) ya no está en contacto con el primer tope y ya no ejerce una fuerza de retorno sobre el conjunto de miembro inferior (3, 4).
7. Estructura de exoesqueleto según la reivindicación 6, que comprende medios (16) para ajustar la posición del primer tope (15) con respecto al conjunto de pelvis (2), permitiendo ajustar un ángulo de transición entre el primer intervalo angular y el segundo intervalo angular.
8. Estructura de exoesqueleto según la reivindicación 7, en la que los medios para ajustar la posición del primer tope (16) comprenden una ranura (161) y un pasador (162) montado deslizablemente dentro de la ranura.
9. Estructura de exoesqueleto según una de las reivindicaciones 4 a 7, que comprende un segundo tope (17) fijado al conjunto de miembro inferior (3, 4) y capaz de tensar el elemento de retorno elástico (121, 131) para ejercer un pretensado elástico sobre el elemento de retorno elástico.
10. Estructura de exoesqueleto según la reivindicación 9, que comprende medios para ajustar la posición del segundo tope (18) con respecto al conjunto de miembros inferiores (3, 4).
11. Estructura de exoesqueleto según una de las reivindicaciones 1 a 10, en la que el mecanismo de la columna vertebral (19) comprende una parte inferior de la columna vertebral (191) conectada al conjunto de la pelvis a través de la tercera conexión pivotante (29) y una parte superior de la columna vertebral (192) conectada al conjunto de la espalda (5) a través de una quinta conexión de rótula que permite la rotación del conjunto de la espalda (5) con respecto al mecanismo de la columna vertebral (19) durante un movimiento de inclinación lateral y durante un movimiento de flexión/extensión de la columna vertebral del usuario.
12. Estructura de exoesqueleto según la reivindicación 11, en la que la parte superior de la columna vertebral (192) es capaz de deslizarse longitudinalmente con respecto a la parte inferior de la columna vertebral (191), comprendiendo además el mecanismo de columna vertebral (19) un miembro de retorno elástico capaz de generar una fuerza de retorno elástica tendente a oponerse al deslizamiento de la parte superior de la columna vertebral (192) con respecto a la parte inferior de la columna vertebral (191) durante la compresión vertical de la columna vertebral del usuario.
13. Estructura de exoesqueleto según la reivindicación 12, en la que el miembro de retorno elástico comprende un cilindro y un pistón adecuado para deslizarse dentro del cilindro, estando uno del pistón y el cilindro montado fijamente con respecto a la parte superior de la columna vertebral (192) y el otro del pistón y el cilindro montado fijamente con respecto a la parte inferior de la columna vertebral (191).
14. Estructura de exoesqueleto según una de las reivindicaciones 11 a 13, en la que la parte superior de la columna vertebral (192) está conectada a la parte inferior de la columna vertebral (191) mediante la cuarta conexión pivotante (193) que permite la rotación de la parte superior de la columna vertebral (192) con respecto a la parte inferior de la columna vertebral (191) alrededor de un eje longitudinal del mecanismo de la columna vertebral (19) durante el movimiento de torsión de la columna vertebral del usuario.
15. Estructura de exoesqueleto según una de las reivindicaciones 1 a 14, que comprende medios de ajuste (30) que permiten ajustar una distancia entre la primera conexión pivotante (27) y la segunda conexión pivotante (28).
16. Estructura de exoesqueleto según la reivindicación 15, en la que los medios de ajuste (30) comprenden una o más ranura(s) (31, 32) y uno o más pasador(es) (33) montados deslizablemente dentro de la(s) ranura(s) (31, 32).
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