BR102012033595A2 - ROBOTIC DYNAMICS COUPLED TRAVEL MAT - Google Patents

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Marcos Pinotti Barbosa
Mariana Ribeiro Volpini Lana
Eugenio Volpini
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Univ Minas Gerais
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ÓRTESE ROBÓTICA ACOPLADA A ESTEIRA PARA TREINO DE MARCHA O presente pedido de patente compreende uma órtese robótica para treino de marcha para indivíduos com disfunções motoras constituído por uma esteira (2), dois cabeçotes laterais (3) com a trajetória cinemática do tornozelo e um tutor longo bilateral (9), responsável pela interface entre paciente e máquina. A órtese robótica pode apresentar um suporte vertical, para sustentação parcial do peso, uma chapa lateral (11), para regular o tamanho do passo, e dois corrimões com regulagem de altura, para que os pacientes possam apoiar os membros superiores.ROBOTIC ORTHESIS COUPLED TO THE TRAILING TRAY MAT This patent application comprises a robotic orthosis for gait training for individuals with motor dysfunctions consisting of a treadmill (2), two lateral heads (3) with the kinematic trajectory of the ankle and a tutor bilateral (9), responsible for the interface between patient and machine. The robotic orthosis can have a vertical support, for partial weight support, a side plate (11), to adjust the step size, and two handrails with height adjustment, so that patients can support their upper limbs.

Description

ÓRTESE ROBÓTICA ACOPLADA A ESTEIRA PARA TREINO DE MARCHAROBOTIC DYNAMICS COUPLED TRAVEL MAT

O presente pedido de patente compreende uma órtese robótica para treino de marcha para indivíduos com disfunções motoras constituído por uma esteira (2), dois cabeçotes laterais (3) com a trajetória cínemática do tornozelo 5 e um tutor longo bilateral (9), responsável pela interface entre paciente e máquina. A órtese robótica pode apresentar um suporte vertical, para sustentação parcial do peso, uma chapa lateral (11), para regular o tamanho do passo, e d ois corrimões com regulagem de altura, para que os pacientes possam apoiar os membros superiores.The present patent application comprises a robotic gait training orthosis for individuals with motor dysfunctions consisting of a treadmill (2), two lateral heads (3) with a kinematic ankle trajectory 5 and a bilateral long tutor (9) responsible for patient-machine interface. The robotic orthosis may have a vertical support for partial weight bearing, a side plate (11) for adjusting the step size, and two height-adjustable handrails so that patients can support the upper limbs.

A marcha de indivíduos com disfunções neuromotoras apresenta umThe gait of individuals with neuromotor dysfunctions presents a

padrão diferente da marcha normal. A persistência do padrão anormal resulta em muitos danos, dentro eles o encurtamento muscular, deformidades ósseas e até mesmo a perda da capacidade deambulatória com o decorrer dos anos.different pattern from normal walking. The persistence of the abnormal pattern results in much damage, including muscle shortening, bone deformities and even loss of walking ability over the years.

Indivíduos com lesões cerebrais que demonstram comprometimento na 15 capacidade e no desempenho de realizar a marcha apresentam limitações na participação de atividades de vida diária e consequentemente na interação social (BJORNSON, K.F.; BELZA, B.; KARTIN1 D.; LOGSDON, R.; MCLAUGHLIN, J.F. Ambulatory Physical Activity Performance in Youth With Cerebral Palsy and Youth Who Are Developing Typically. Journal of the 20 American Physical Therapy Association. 2007; 87:248-257). Por isso, o treino de marcha, visando sua melhora, é de grande importância na reabilitação.Individuals with brain injuries who demonstrate impairment in walking ability and performance have limitations in the participation of activities of daily living and consequently in social interaction (BJORNSON, KF; BELZA, B .; KARTIN1 D .; LOGSDON, R .; MCLAUGHLIN, JF Ambulatory Physical Activity Performance in Youth With Cerebral Palsy and Youth Who Are Typically Developing (Journal of the 20 American Physical Therapy Association. 2007; 87: 248-257). Therefore, gait training, aiming at its improvement, is of great importance in rehabilitation.

Conceitos atuais sobre aprendizado motor presumem que a repetição de uma tarefa específica pode melhorar significantemente sua função motora (BORGGRAEFE, I.; MEYER-HEIM, A.; KUMAR, A.; SCHAEFER, J.S.; 25 BERWECK, S.; HEINEN, F. Improved gait parameters after robotic-assisted Iocomotor treadmill therapy in a 6 year old child with cerebral palsy. Movement Disorders. 2008; 23(2):280-283). A terapia Iocomotora para restabelecer a capacidade deambulatória baseia-se no princípio de aumentar a neuroplasticidade por meio de treinamento específico de uma determinada 30 tarefa (MEYER-HEIM, A.; BORGGRAEFE, M.D.; AMMANN-REIFFER, C.; BERWECK, ST.; SENNHAUSER, F.H.; COLOMBO, G; KNECHT, B. HEINEN, F. Feasibility of roboticassisted Locomotor training in children with central gait impairment. Developmental Medicine & Child Neurology. 2007; 49(12):900- 906). Existem evidências de que esta terapia é efetiva na reabilitação de pacientes com disfunções do sistema nervoso central (BORGGRAEFE, I.; KIWULL, L.; SCHAEFER, J.S.; KOERTE, I.; BLASCHEK, A.; MEYER-HEIM, A.;Current concepts on motor learning assume that repetition of a specific task can significantly improve motor function (BORGGRAEFE, I.; MEYER-HEIM, A .; KUMAR, A .; SCHAEFER, JS; 25 BERWECK, S .; HEINEN, F Improved gait parameters after robotic-assisted Iocomotor treadmill therapy in a 6 year old child with cerebral palsy Movement Disorders 2008; 23 (2): 280-283). Iocomotor therapy to restore walking capacity is based on the principle of increasing neuroplasticity through task-specific training (MEYER-HEIM, A.; BORGGRAEFE, MD; AMMANN-REIFFER, C.; BERWECK, ST. ; SENNHAUSER, FH; COLOMBO, G; KNECHT, B. HEINEN, F. Feasibility of robotic-assisted locomotor training in children with central impairment. Developmental Medicine & Child Neurology. 2007; 49 (12): 900-906). There is evidence that this therapy is effective in the rehabilitation of patients with central nervous system dysfunction (BORGGRAEFE, I.; KIWULL, L.; SCHAEFER, J.S.; KOERTE, I .; BLASCHEK, A .; MEYER-HEIM, A .;

5 HEINEN, F. Sustainability of motor performance after robotic-assisted treadmill therapy in children: an open, non-randomized baseline-treatment study. European Journal of Physical Rehabilitation Medicine. 2010; 46:125-131). O treino repetitivo de tarefas desafiadoras para os pacientes resulta em maior representação cortical do movimento praticado. Estes achados e outros 10 advindos de muitos estudos na área da neurociência indicam que a prática continuada de uma tarefa específica é determinante para a produção de mudanças permanentes nas redes do sistema motor, do aprendizado motor e da função motora (BIRKENMEIER, R.L.; PRAGER, E.M.; LANG, C.E. Tranlating animal doses of task-specific training to people with chronic stroke in 15 one hour therapy sessions: a proof-of-concept study. Neurorehabilitation Neural Repair. 2010; 24(7):620-635).5 HEINEN, F. Sustainability of motor performance after robotic-assisted treadmill therapy in children: an open, non-randomized baseline-treatment study. European Journal of Physical Rehabilitation Medicine. 2010; 46: 125-131). Repetitive training of challenging tasks for patients results in greater cortical representation of the movement practiced. These findings and 10 other findings from many neuroscience studies indicate that continued practice of a specific task is crucial for producing permanent changes in the motor system, motor learning, and motor function networks (BIRKENMEIER, RL; PRAGER, EM; LANG, CE Tranlating animal doses of task-specific training to people with chronic stroke in 15 one hour therapy sessions: a proof-of-concept study (Neurorehabilitation Neural Repair. 2010; 24 (7): 620-635).

Nos últimos anos, a área da neuroreabilitação tem adotado dispositivos robóticos para auxiliar o tratamento de indivíduos com disfunções neurológicas diversas (HIDLER, J.; WISMAN, W.; NECKEL, N. Kinematic trajectories while 20 waiking within the Lokomat robotic gait-orthosis. Clinicai Biomechanics. 2008; 23:1251-1259; CHIN, L.F.; LIM, W.S.; KONG1 K.H. Singapore Medicai Journal. 2010; 51(9):709-715). Para aplicações que visam o treino da marcha, os dispositivos robóticos apresentam inúmeras vantagens em relação aos treinamentos assistidos por terapeutas (HIDLER, J.; WISMAN, W.; NECKEL, N. 25 Kinematic trajectories while waiking within the Lokomat robotic gait-orthosis. Clinicai Biomechanics. 2008; 23:1251-1259).In recent years, the field of neurorehabilitation has adopted robotic devices to assist the treatment of individuals with diverse neurological dysfunctions (HIDLER, J .; WISMAN, W .; NECKEL, N. Kinematic trajectories while 20 waiking within the Lokomat robotic gait-orthosis. Clinical Biomechanics 2008; 23: 1251-1259; CHIN, LF; LIM, WS; KONG1 KH Singapore Medical Journal. 2010; 51 (9): 709-715). For applications aimed at gait training, robotic devices have numerous advantages over therapist-assisted training (HIDLER, J .; WISMAN, W .; NECKEL, N. 25. Kinematic trajectories while waiking within the Lokomat robotic gait-orthosis. Clinical Biomechanics, 2008; 23: 1251-1259).

O objetivo da locomoção robótico-assistida é imitar as mãos do terapeuta guiando os membros inferiores do paciente através de um padrão normal da marcha, enquanto caminha em uma esteira. O treino de marcha 30 robótico-assistida permite aos pacientes, andar com um padrão normal, com deslocamento simétrico de peso, e sem a necessidade de empregar estratégias compensatórias. Além disso, para terapeutas, o treino de marcha robótico-assistido, ajuda a reduzir as demandas físicas impostas aos mesmos, e não restringe o treinamento do paciente às limitações dos terapeutas (CHIN et ai, 2010).The goal of robotic-assisted locomotion is to mimic the therapist's hands by guiding the patient's lower limbs through a normal gait pattern while walking on a treadmill. Robotic-assisted gait training 30 allows patients to walk with a normal pattern, with symmetrical weight shifting, and without the need to employ compensatory strategies. In addition, for therapists, robotic-assisted gait training helps to reduce the physical demands placed on them, and does not restrict patient training to therapist limitations (CHIN et al, 2010).

Sabe-se que, nos 5o finais da extensão de joelho, ocorre uma rotação 5 mediai do fêmur sobre a tíbia. Esse movimento gera máxima estabilidade, por isso, diz-se que a articulação está trancada. Para iniciar a flexão de joelho, essa rotação mediai deve ser revertida “destrancando” a articulação. O músculo poplíteo é o responsável por promover a rotação lateral do fêmur sobre a tíbia, sem a qual a flexão não pode ter início (DANGELO, J. G.;It is known that at the 5th end of knee extension, there is a 5th mediate rotation of the femur over the tibia. This movement generates maximum stability, so it is said that the joint is locked. To initiate knee flexion, this mediate rotation must be reversed by “unlocking” the joint. The popliteal muscle is responsible for promoting lateral rotation of the femur over the tibia, without which flexion cannot begin (DANGELO, J. G .;

FATTINI, C.A. Anatomia Humana: sistêmica e segmentar. 3a Ed. São Paulo: Atheneu, 2007. Cap. 17, p.281).FATTINI, C.A. Human Anatomy: systemic and segmental. 3rd Ed. Sao Paulo: Atheneu, 2007. Chap. 17, p.281).

Existem diversos dispositivos descritos no estado da técnica utilizados para o treino de marcha de indivíduos com disfunções neuromotoras. Os dispositivos descritos nos pedidos de patentes (CN101810533; CN 101862256;There are several state-of-the-art devices used for gait training in individuals with neuromotor dysfunction. The devices described in patent applications (CN101810533; CN 101862256;

KR100841177; US2010268129; W02008032967) não apresentam uma esteira, elemento extremamente importante na adequação da marcha robótica à marcha normal. Outros dispositivos além de não apresentarem a esteira, os indivíduos ficam suspensos por uma plataforma, o que prejudica o treino (KR100841177; US2010268129; Schmidt H1 Hesse S, Bernhardt R. SafetyKR100841177; US2010268129; W02008032967) do not feature a treadmill, which is an extremely important element in adjusting the robotic gait to normal gait. Other devices besides not having the treadmill, the individuals are suspended by a platform, which impairs the training (KR100841177; US2010268129; Schmidt H1 Hesse S, Bernhardt R. Safety

concept for robotic gait trainers. Proceedings of the 26th Annual International Conference ofthe IEEE EMBS, San Francisco, CA, USA September 1-5, 2004). Também existem alguns dispositivos que apesar de poderem apresentam uma esteira, não apresentam um tutor longo com articulação no quadril, joelho e tornozelo (CN2558375; JP2011115323; US6880487; US2007016116;concept for robotic gait trainers. Proceedings of the 26th Annual International Conference of the IEEE EMBS, San Francisco, CA, USA September 1-5, 2004). There are also some devices that although they may have a treadmill, they do not have a long hip, knee and ankle joint tutor (CN2558375; JP2011115323; US6880487; US2007016116;

US2010268129; US2010285929; US2011071442; US2010152629; US2011288455; W02003018140). O tutor longo é extremamente importante para o treino da marcha, uma vez que ajuda na sustentação do peso do paciente, além de ajudar na delimitação dos movimentos a serem realizados.US2010268129; US2010285929; US2011071442; US2010152629; US2011288455; WO2003018140). The long tutor is extremely important for gait training, as it helps in sustaining the patient's weight, as well as helping to delimit the movements to be performed.

Os dispositivos descritos nos documentos (CN2558375; JP2011115323;The devices described in the documents (CN2558375; JP2011115323;

US6666831; US7331906; US2007016116; US2011071442; US20110288455; CN101862255; CN101862256; CN102058464; EP1716834; US6689075; US6821233; US7544155; US2004116839; US20080249438; W02008032967; W02009125397; Banala SK1 Kim SH1 Agrawal SK1 Scholz JP. Robot Assisted Gait Training With Active Leg Exoskeleton (ALEX). IEEE transactions on neural systems and rehabilitation engineering, vol. 17, 2009) não apresentam cabeçotes laterais que descrevem à trajetória cinemática do tornozelo. A 5 manutenção da trajetória cinemática do tornozelo durante os exercícios de reabilitação é extremamente importante para restabelecimento da marcha normal. A persistência do padrão anormal resulta em muitos danos, tais como o encurtamento muscular e deformidades ósseas.US6666831; US7331906; US2007016116; US2011071442; US20110288455; CN101862255; CN101862256; CN102058464; EP1716834; US6689075; US6821233; US7544155; US2004116839; US20080249438; WO2008032967; WO2009125397; Banana SK1 Kim SH1 Agrawal SK1 Scholz JP. Assisted Robot Gait Training With Active Leg Exoskeleton (ALEX). IEEE transactions on neural systems and rehabilitation engineering, vol. 17, 2009) do not present lateral heads that describe the ankle kinematic trajectory. Maintaining the ankle kinematic path during rehabilitation exercises is extremely important for restoring normal gait. Persistent abnormal pattern results in many injuries, such as muscle shortening and bone deformities.

Também existem dispositivos que foram desenvolvidos para avaliação 10 da marcha em animais (Leon RD1 Kubasak MD, Phelps PE, Timoszyk WK1 Reinkensmeyer DJ1 Roy RR, Edgerton VR. Using robotics to teach the spinal cord to walk. Brain Research Reviews, vol. 40, p. 267-273, 2002; Leon RD, Acosta CN. Effect of Robotic-Assisted Treadmill Training and Chronic Quipazine Treatment on Hindlimb Stepping in Spinally Transected Rats. Journal 15 of neurotrauma, vol. 23, p. 1147-1163, 2006; Nessler JA, Minakata K, Sharp K1 Reinkensmeyer DJ. Robot-assisted hindlimb extension increases the probability of swing initiation during treadmill waiking by spinal cord contused rats. Journal of Neuroscience Methods, vol. 159, 66-77, 2007; US6880487).There are also devices that have been developed for gait assessment 10 in animals (Leon RD1 Kubasak MD, Phelps PE, Timoszyk WK1 Reinkensmeyer DJ1 Roy RR, Edgerton VR. Using robotics to teach the spinal cord to walk. Brain Research Reviews, vol. 40, 267-273, 2002; Leon RD, Acosta C. Effect of Robotic-Assisted Treadmill Training and Chronic Quipazine Treatment Stepping in Spinally Transected Rats Journal 15 of neurotrauma, vol 23, pp 1147-1163, 2006; Nessler JA, Minakata K, Sharp K1 Reinkensmeyer DJ Robot-assisted hindlimb extension increases the likelihood of swing initiation during treadmill waiking by spinal cord contused rats Journal of Neuroscience Methods, vol. 159, 66-77, 2007; US6880487).

O documento US2010298102 refere-se a um dispositivo robótico para 20 promover a reabilitação de indivíduos com disfunções da marcha, que apresenta duas plataformas, uma para cada pé, que movem o membro inferior, simulando a marcha. O presente pedido difere-se deste documento por utilizar a esteira, pois com o uso de plataformas a fase de balanço é alterada, uma vez que os pés permanecem, o tempo todo, em contato com o “solo”, por tanto, é 25 uma simulação menos fiel da marcha normal.US2010298102 relates to a robotic device for promoting the rehabilitation of individuals with gait dysfunctions, which has two platforms, one for each foot, that move the lower limb, simulating gait. The present application differs from this document in that it uses the treadmill, because with the use of platforms the swing phase is changed, since the feet remain in contact with the ground all the time, so it is 25 a less faithful simulation of normal walking.

O documento US7998040 refere-se a um dispositivo para reabilitação física que promove uma força assistiva para auxiliar na propulsão da marcha. O dispositivo que fornecerá a força assistiva é preso à cintura do paciente e sua força pode ser regulada. O presente pedido difere-se deste documento por 30 apresentar uma órtese de membro inferior associada ao cames da trajetória cinemática do tornozelo na marcha normal, promovendo uma assistência com o alinhamento biomecânico das articulações do quadril, joelho e tornozelo assegurado.US7998040 relates to a physical rehabilitation device that promotes an assistive force to assist in propelling gait. The device that will provide the assistive force is attached to the patient's waist and its force can be adjusted. The present application differs from this document in that it presents a lower limb orthosis associated with the cams of the ankle kinematic trajectory in normal gait, providing assistance with the biomechanical alignment of the hip, knee and ankle joints.

O documento W02008032967 refere-se a um dispositivo dotado de um sistema de controle capaz de monitorar os parâmetros da marcha de pacientes 5 em tempo real, sendo composto também por uma órtese de membro inferior. O presente pedido difere-se deste documento, uma vez que ele apresenta um suporte vertical para sustentação parcial do peso do paciente, caso necessário e ainda o sistema de cames para garantir a trajetória cinemática da marcha em um padrão normal.Document W02008032967 relates to a device with a control system capable of monitoring patient gait parameters 5 in real time and also comprising a lower limb orthosis. The present application differs from this document in that it features a vertical support for partial weight support if necessary and also the cam system to ensure kinematic gait trajectory in a normal pattern.

O documento US2010268129 refere-se a um dispositivo para guiar aUS2010268129 relates to a device for guiding the

trajetória da marcha por meio de duas plataformas móveis, uma para cada pé. Cada plataforma se move de forma independente na direção longitudinal. O presente pedido difere-se deste documento por utilizar a esteira, ao invés das plataformas móveis, mantendo dessa forma, a fase de balanço da marcha.gait trajectory by two moving platforms, one for each foot. Each platform moves independently in the longitudinal direction. The present application differs from this document in that it uses the treadmill instead of the moving platforms, thus maintaining the swing phase of the march.

O documento US2004097330 refere-se a um exoesqueleto robótico eUS2004097330 refers to a robotic exoskeleton and

um sistema de controle com sensores que promovem feedback sobre o movimento das pernas, quando as mesmas desviam do padrão normal, fornecendo então pressão e facilitação corretiva. O presente pedido difere-se deste documento uma vez que o mesmo apresenta uma trajetória pré-definida,a control system with sensors that provide feedback on leg movement when it deviates from the normal pattern, thus providing corrective pressure and facilitation. This application differs from this document in that it has a predefined trajectory,

não sendo possível desviar da mesma.not being able to deviate from it.

Q documento US6689075 refere-se a uma estrutura capaz de retirar o paciente da cadeira de rodas e posicioná-lo sobre uma esteira. O dispositivo apresenta um painel com tela touch screen para controle dos parâmetros da marcha bem como uma órtese que envolve os membros inferiores movendo-osUS6689075 relates to a structure capable of removing the patient from the wheelchair and positioning him / her on a treadmill. The device features a touch screen panel to control gait parameters as well as an orthosis that engages the lower limbs by moving them.

durante a marcha, mas mantendo a articulação do tornozelo em cadeia cinética aberta, sem conexão com o equipamento. O presente pedido difere-se deste documento uma vez que o movimento desejado será guiado por meio de cabeçotes laterais e um tutor longo que faz a interface entre paciente e máquina.while walking, but keeping the ankle joint open kinetic chain, with no connection to the equipment. The present application differs from this document in that the desired movement will be guided by side heads and a long tutor that interfaces between patient and machine.

O documento W02009145423 refere-se a um robô para treino deDocument W02009145423 relates to a robot for training in

marcha composto por uma órtese de membro inferior, uma esteira, um suporte para sustentação parcial de peso e um controlador. O sistema de controle é capaz de armazenar informações a respeito da marcha e apresentá-lo numérica ou graficamente possibilitando a verificação da velocidade, dos ângulos e do torque das articulações. O presente pedido difere-se deste documento visto que a guia do movimento é realizada por meio da articulação 5 do tornozelo.gait consisting of a lower limb orthosis, a treadmill, a partial weight bearing support and a controller. The control system is capable of storing gait information and displaying it numerically or graphically enabling joint speed, angles and torque to be checked. The present application differs from this document in that the movement guide is performed by means of the ankle joint 5.

Os documentos CN102225033 e CN102225034 referem-se a dispositivos robóticos para promover a reabilitação de indivíduos com disfunções da marcha. Apesar desses documentos apresentarem uma trajetória pré-definida, não estão acoplados a uma esteira e não apresentam 10 um tutor longo, com articulação no quadril, joelho e tornozelo. O tutor longo da tecnologia aqui pleiteada é extremamente importante para ajudar na delimitação dos movimentos a serem realizados. O presente pedido também se difere deste documento por utilizar a esteira, pois com o uso de plataformas a fase de balanço é alterada, uma vez que os pés permanecem, o tempo todo, 15 em contato com o “solo”, por tanto, é uma simulação menos fiel da marcha normal.CN102225033 and CN102225034 refer to robotic devices to promote the rehabilitation of individuals with gait dysfunction. Although these documents have a predefined trajectory, they are not attached to a treadmill and do not have a long tutor with hip, knee and ankle articulation. The long tutor of the technology claimed here is extremely important to help in delimiting the movements to be performed. The present application also differs from this document in that it uses the treadmill, since with the use of platforms the swing phase is altered, since the feet remain all the time in contact with the “ground”, so it is a less faithful simulation of normal walking.

Nenhum dos documentos supracitados refere-se a uma órtese robótica para treino de marcha constituído por uma esteira (2), dois cabeçotes laterais (3) com a trajetória cinemática do tornozelo e um tutor longo bilateral (9), que faz a interface entre paciente e máquina.None of the above documents refer to a robotic gait training brace consisting of a treadmill (2), two lateral heads (3) with ankle kinematic trajectory and a bilateral long tutor (9), which interfaces the patient. and machine.

DESCRIÇÃO DAS FIGURASDESCRIPTION OF THE FIGURES

A Figura 1 representa uma vista lateral e superior do equipamento, onde é possível observar um indivíduo com tutor longo com cinto pélvico (8), com articulação no quadril (7) e no joelho (6), um coxal para acomodar a coxa e 25 uma calha em polipropileno (tutor curto) para posicionar a articulação do tornozelo à máquina, a esteira (2), as guias superiores (4), os motorredutores ou motores de passo (1) e as correntes (5) formadoras de trajetória (cabeçotes laterais) (3).Figure 1 represents a side and top view of the equipment, where it is possible to observe a person with long pelvic belt tutor (8), with hip joint (7) and knee (6), a thigh to accommodate the thigh and 25 a polypropylene track (short tutor) to position the machine ankle joint, treadmill (2), upper guides (4), gearmotors or stepper motors (1) and path forming chains (5) sides) (3).

A Figura 2 represe nta uma vista posterior do equipamento, onde é possível visualizar o cabeçote lateral (3), que determina a trajetória cinemática do tornozelo, com a corrente de tração (5), o pinhão (10), os motorredutores ou motores de passo (1) e guia superior (4) que possibilita a efetuação da parte côncava da trajetória.Figure 2 shows a rear view of the equipment, where it is possible to see the lateral head (3), which determines the kinematic trajectory of the ankle, with the traction chain (5), pinion (10), gearmotors or motors. step (1) and upper guide (4) that enables the concave part of the path to be made.

A Figura 3 é uma vista frontal do equipamento onde se observa o paciente utilizando um tutor longo (9), com cinto pélvico (8), articulação no quadril (7) e no joelho (6), acoplado à máquina, a esteira (2), e os motorredutores ou motores de passo (1).Figure 3 is a front view of the patient's equipment using a long tutor (9) with a pelvic belt (8), hip joint (7) and knee (6) coupled to the machine, the treadmill (2). ), and gearmotors or stepping motors (1).

A Figura 4 representa a trajetória cinemática fisiológica (normal) do tornozelo que ocorre durante um passo humano e que será utilizada para a definição dos cames da órtese robótica.Figure 4 represents the physiological (normal) kinematic trajectory of the ankle that occurs during a human step and will be used to define the robotic orthosis cams.

A Figura 5 representa a guia superior (4) que garante que se consigaFigure 5 represents the upper guide (4) which ensures that

efetuar a parte côncava da trajetória correspondente, no ciclo da marcha, ao abaixamento da coxa e à extensão do joelho.perform the concave part of the corresponding trajectory during the gait cycle, lowering the thigh and extending the knee.

A Figura 6 representa o mecanismo opcional capaz de regular o tamanho do passo. O mesmo consiste de uma chapa lateral que faz o papel de um dos elos da corrente (5). A chapa (11) é composta por furos (12) em alturas diferentes que serão capazes de determinar o aumento do passo, uma vez que alteram a conexão do pino de acoplamento entre máquina e indivíduo.Figure 6 represents the optional mechanism capable of adjusting the step size. It consists of a side plate that plays the role of one of the chain links (5). The plate (11) consists of holes (12) at different heights that will be able to determine the pitch increase as they alter the coupling pin connection between machine and individual.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA TECNOLOGIADETAILED DESCRIPTION OF TECHNOLOGY

O presente pedido de patente compreende uma órtese robótica para 20 treino de marcha de indivíduos com disfunções neurológicas constituído por uma esteira (2), dois cabeçotes laterais (3) com a trajetória cinemática do tornozelo e um tutor longo bilateral (9), que faz a interface entre paciente e máquina. A órtese robótica pode apresentar um suporte vertical, para sustentação parcial do peso, uma chapa lateral (11), para regular o tamanho do 25 passo, e dois corrimões com regulagem de altura, para que os pacientes possam apoiar os membros superiores (Figuras 1, 2 e 3).The present patent application comprises a robotic orthosis for gait training of individuals with neurological dysfunctions consisting of a treadmill (2), two lateral heads (3) with ankle kinematic trajectory and a bilateral long tutor (9), which makes the interface between patient and machine. The robotic orthosis may have a vertical support for partial weight bearing, a side plate (11) for adjusting the size of the 25-step, and two height-adjustable handrails for patients to support their upper limbs (Figures 1 , 2 and 3).

A esteira (2) será sincronizada com os motorredutores ou motores de passo (1) que farão a trajetória do tornozelo. Nas laterais da mesma podem-se estar fixados dois corrimões com regulagem de altura, para que os pacientes possam apoiar os membros superiores e desta forma, manterem-se mais estáveis. Serão utilizados dois cabeçotes laterais (3), sendo um para cada membro inferior. Cada cabeçote será composto por: uma corrente de tração (5) que segue uma guia (Figura 4), um motorredutor ou motor de passo (1), um pinhão de tração (10) para mover a corrente (5) e sensores que determinarãoThe treadmill (2) will be synchronized with the gearmotors or stepping motors (1) that will traverse the ankle. On the sides of it can be fixed two handrails with height adjustment, so that patients can support the upper limbs and thus remain more stable. Two side heads (3) will be used, one for each lower limb. Each head shall consist of: a drive chain (5) following a guide (Figure 4), a gearmotor or stepper motor (1), a drive pinion (10) for moving the chain (5) and sensors that will determine

5 as diversas fases da passada, com tempos (velocidades) diferentes, sendo a fase de apoio e a fase de balanço.5 the various stages of the stride, with different times (speeds), being the support phase and the swing phase.

O suporte vertical fará a sustentação parcial do paciente através de um colete pélvico, através de mecanismo pantográfico sustentado por cilindro pneumático de força regulável. Por meio de um cilindro pneumático, com 10 pressão regulável, será possível ajustar a porcentagem de peso sustentado. A literatura sugere que nas primeiras sessões, cerca de 40 a 50% do peso corporal seja sustentado e que, o suporte decresça a partir da progressão do paciente no tratamento (CHING et al., 2010; BRADY, K.; HIDLER, J.; NICHOLS, D.; RYERSON, S. Clinicai training and competency guidelines for 15 using robotics devices. 2011 IEEE International Conference on Rehabilitatiion Robotics. Rehab Week Zurich, ETH Zurich Science City, Switzerland, June 29 July 1,2011).The vertical support will partially support the patient through a pelvic vest, through a pantograph mechanism supported by pneumatic cylinder of adjustable force. By means of a pneumatic cylinder with 10 adjustable pressure, it will be possible to adjust the percentage of sustained weight. The literature suggests that in the first sessions, about 40 to 50% of body weight is sustained and that support decreases as the patient progresses in treatment (CHING et al., 2010; BRADY, K .; HIDLER, J. ; NICHOLS, D;; RYERSON, S. Clinical training and competency guidelines for 15 using robotics devices. 2011 IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics. Rehab Week Zurich, ETH Zurich Science City, Switzerland, June 29 July 1,2011).

A guia (Figura 4) utiliza um sistema de cames que serve como uma pista para a corrente (5). O cames representa a trajetória real do tornozelo (trajetória na marcha sem disfunção) para crianças entre 7 e 10 anos.The guide (Figure 4) uses a cam system that serves as a track for the chain (5). The cams represent the actual ankle trajectory (walking trajectory without dysfunction) for children between 7 and 10 years old.

A trajetória cinemática real da marcha em esteira, para indivíduos adultos saudáveis foi determinada em um estudo, que tinha por objetivo analisar os desvios da trajetória do Lokomat em relação a esta (HIDLER et al., 2008).The actual kinematic trajectory of treadmill gait for healthy adult subjects was determined in a study that aimed to analyze Lokomat trajectory deviations from it (HIDLER et al., 2008).

Os parâmetros cinéticos e cinemáticos da marcha de uma criança com 7The kinetic and kinematic parameters of gait of a child with 7

anos de idade são similares aos do adulto, diferenciando-se apenas no momento gerado pelo tornozelo, explicado pela diferença no tamanho do comprimento do pé (GANLEY, K.J.; POWERS, C.M. Gait kinematics and kinetics of 7-years-old children: a comparison to adults using age-specific 30 anthropometric data. Gait & Posture. 2005; 21:141-145). Portanto, embora a trajetória não esteja descrita na literatura para crianças, mas sabendo-se que o passo de crianças entre 7 e 10 anos mede 0,43 ± 0,04 m , e que o padrão cinemático é similar ao do adulto, a mesma foi determinada, por meio de cálculos (DUSING, S.C.; THORPE, D.E. A normative sample of temporal and spatial gait parameters in children using the GAITRite electronic walkway. Gaityears of age are similar to those of adults, differing only at the moment generated by the ankle, explained by the difference in the size of the foot length (GANLEY, KJ; POWERS, CM) Gait kinematics and kinetics of 7-years-old children: a comparison to adults using age-specific 30 anthropometric data (Gait & Posture 2005; 21: 141-145). Therefore, although the trajectory is not described in the literature for children, but knowing that the step of children between 7 and 10 years old measures 0.43 ± 0.04 m, and that the kinematic pattern is similar to that of adults, the same was determined by calculations (DUSING, SC; THORPE, DE The normative sample of temporal and spatial gait parameters in children using the GAITRite electronic walkway. Gait

& Posture. 2007; 25:135-139).& Posture. 2007; 25: 135-139).

A trajetória determinada para crianças entre 7 e 10 anos pode serThe trajectory determined for children between 7 and 10 years old can be

visualizada na Figura 4.shown in Figure 4.

Será utilizada uma corrente de tração (5) de rolo simples. Para que a corrente não realize atrito na pista, ela será dotada de dois rolamentos de uma carreira de esfera, acoplados um a cada lado da mesma. Cada rolamento terá 10 sua pista própria que acompanha o cames do rolete interno da corrente. A corrente será obrigada a realizar a trajetória do cames, que representa fielmente a trajetória do tornozelo na marcha normal.A single reel traction chain (5) will be used. So that the chain does not friction the track, it will be equipped with two single row ball bearings, coupled to each side of it. Each bearing will have its own track that comes with the camshaft of the inner chain roller. The chain will be required to perform the cam path, which faithfully represents the ankle path in normal gait.

A tração da corrente (5) será efetuada por um pinhão (10). O pinhão será acionado por um motorredutor ou motor de passo (1) de rotação variável, sendo uma rotação para a fase de apoio e outra para a fase de balanço da marcha, visto que os perímetros e os tempos das trajetórias das correntes se diferem em cada fase.The chain pull (5) will be effected by a pinion (10). The pinion will be driven by a variable speed gearmotor or stepper motor (1), with one rotation for the stance phase and one for the swing phase of the gear, as the perimeters and times of the chain paths differ in each phase.

As velocidades nas fases de apoio e balanço são compatíveis com os tempos: de balanço 38% e de apoio 62% do tempo total da passada.Support and swing phase speeds are compatible with swing times 38% and support 62% of total stride time.

Além disso, a esteira de apoio da passada apresenta velocidadeIn addition, the stride support mat has speed

tangencial regulável conforme a velocidade da fase de apoio.tangential adjustable according to the speed of the support phase.

Para que se consiga efetuar a parte côncava da trajetória correspondente ao abaixamento da coxa e extensão do joelho, teremos uma guia superior (4) (Figura 5).In order to achieve the concave part of the path corresponding to the lower thigh and knee extension, we will have an upper guide (4) (Figure 5).

O Tutor longo (9), que faz a interface entre paciente e máquina, éThe long Tutor (9), which interfaces between patient and machine, is

composto por cinto pélvico (8), articulação no quadril (7) e no joelho (6), coxal para acomodar a coxa e uma calha em polipropileno para posicionar a articulação do tornozelo. No ponto de pivotamento do tornozelo, ao nível do maléolo lateral, será acoplado um pino que fará a interface á máquina. Para 30 impedir a extensão total do joelho, a órtese pode apresentar um limitador mecânico, tal como uma mola auxiliar que poderá ser inserida no tutor longo (9) na região da articulação do joelho (6). Esta órtese robótica é dotada de um mecanismo capaz de regular o tamanho do passo por meio de uma chapa lateral (11) que faz o papel de um dos elos da corrente (5). Nesta chapa há furos (12) em alturas diferentes que determinaram o aumento do passo, uma vez que altera a altura de conexão do pino que faz a interface entre máquina e o indivíduo (Figura 6). Na escolha de um furo mais alto, o que ocorre é a aumento da trajetória tanto no comprimento quanto nos raios de curvatura côncavos e convexos, pois o pino de acoplamento agora estará conectado na chapa lateral (11) e não mais no pino do elo da corrente.It consists of a pelvic belt (8), hip (7) and knee (6) joint, thigh to accommodate the thigh and a polypropylene rail to position the ankle joint. At the pivot point of the ankle, at the level of the lateral malleolus, a pin will be attached that will interface with the machine. To prevent full knee extension, the orthosis may have a mechanical limiter such as an auxiliary spring that may be inserted into the long tutor (9) in the knee joint region (6). This robotic orthosis is provided with a mechanism capable of regulating the size of the step by means of a side plate (11) which plays the role of one of the chain links (5). In this plate there are holes (12) at different heights that determined the step increase, since it changes the connection height of the pin that makes the interface between the machine and the individual (Figure 6). In choosing a higher hole, the trajectory increases in both the concave and convex length and radii of curvature, as the coupling pin will now be connected to the side plate (11) and no longer to the link pin. chain.

Claims (9)

1. Órtese robótica para treino de marcha, caracterizada por compreende uma esteira (2), dois cabeçotes laterais (3), que apresentam sistema de cames que é uma pista para a corrente (5), guias superiores (4), pinhão (10), que traciona a corrente (5) e será acionado por motorredutores ou motores de passo (1) de tração variável, e um tutor longo bilateral (9), constituído de cinto pélvico (8), articulação no quadril (7) e joelho (6), coxal e calha para posicionar a articulação do tornozelo.1. Robotic walking training orthosis, characterized by comprising a treadmill (2), two lateral heads (3), which have a cam system which is a track for the chain (5), upper guides (4), pinion (10). ), which pulls the chain (5) and will be driven by gearmotors or step motors (1) with variable traction, and a bilateral long tutor (9), consisting of a pelvic belt (8), hip joint (7) and knee (6), thigh and gutter to position the ankle joint. 2. Órtese robótica para treino de marcha, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo motorredures ou motores de passo (1) alterarem as velocidades (rotações), definindo as fases de balanço e de apoio da marcha.Robotic gait training orthosis according to claim 1, characterized in that the motorredures or stepping motors (1) alter the speeds (revolutions), defining the swing and support phases of the gait. 3. Órtese robótica para treino de marcha, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo tutor longo (9) apresentar no ponto de pivotamento do tornozelo, ao nível do maléolo lateral, um pino acoplado que fará a interface entre paciente e máquina.Robotic gait training orthosis according to claim 1, characterized in that the long tutor (9) has a coupled pin at the ankle pivot point at the lateral malleolus, which will interface the patient and the machine. 4. Órtese robótica para treino de marcha, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por ter em diversos pontos da trajetória sensores que determinarão as diversas fases da passada, com tempos (velocidades) diferentes, sendo a fase de apoio e a fase de balanço.Robotic walking training orthosis according to claim 1, characterized in that it has sensors at various points along the path which will determine the various stride phases with different times (velocities), being the stance phase and the swing phase. . 5. Órtese robótica para treino de marcha, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por ter esteira de apoio da passada com velocidade tangencial regulável conforme a velocidade da fase de apoio.Robotic walking training orthosis according to claim 1, characterized in that it has a stride support mat with tangential velocity adjustable to the speed of the support phase. 6. Órtese robótica para treino de marcha, de acordo com a reivindicação1, caracterizada por ter, opcionalmente, um suporte vertical para sustentação parcial do indivíduo, preferencialmente através de mecanismo pantográfico sustentado por cilindro pneumático de força regulável.Robotic gait training orthosis according to claim 1, characterized in that it optionally has a vertical support for partial support of the individual, preferably by means of a pantograph mechanism supported by a pneumatic cylinder of adjustable force. 7. Órtese robótica para treino de marcha, de acordo com a reivindicação1, caracterizada por apresentar, opcionalmente, uma chapa lateral (11), de acoplamento à corrente (5) e ao pino de acoplamento do indivíduo à máquina, com furos (12) em alturas diferentes.Robotic walking training orthosis according to Claim 1, characterized in that it has, optionally, a chain-engaging side plate (11) and individual machine-coupling pin with holes (12) at different times. 8. Órtese robótica para treino de marcha, de acordo com a reivindicação1, caracterizada por apresentar, opcionalmente, na lateral da esteira (2), dois corrimões com regulagem de altura.Robotic walking training orthosis according to Claim 1, characterized in that it has two height-adjustable handrails on the side of the treadmill (2). 9. Órtese robótica para treino de marcha, de acordo com a reivindicação1, caracterizada pela órtese apresentar, opcionalmente, limitador mecânico da extensão máxima do joelho, tal como a mola auxiliar.Robotic walking training orthosis according to claim 1, characterized in that the orthosis optionally has a mechanical limiter of the maximum knee extension, such as the auxiliary spring.
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