ES1272094U - Exoesqueleto ligero con control de las variables fisiológicas del usuario. - Google Patents

Abstract

Exoesqueleto ligero sin estructura rígida ni accionamientos mecánicos con control de las variables fisiológicas del usuario, caracterizado porque consta de: a) un arnés (1) de espalda; b) unas musleras (4) para la fijación a los muslos del usuario; c) unos medios para la unión del arnés (1) al tronco y a las musleras (4), integrando dichos medios de unión a unas bandas elásticas extensibles (5) y a una banda textil interior, deslizable, no elásticos (8);

Description

DESCRIPCIÓN

Exoesqueleto ligero con control de las variables fisiológicas del usuario

Objeto de la invención

El objeto del invento se refiere a un exoesqueleto ligero, es decir, sin una estructura rígida ni actuadores mecánicos (ni activos ni pasivos), capaz de controlar en tiempo real las principales variables fisiológicas de la persona usuaria del exoesqueleto. Estas variables fisiológicas, en una relación no limitativa, son la temperatura corporal, la presión sanguínea, la frecuencia cardiaca, el nivel de oxígeno en sangre y la señales electromiográficas (EMG) en algunos grupos musculares.

Antecedentes de la invención

En el estado actual de la técnica son conocidos los exoesqueletos (sistemas robotizados con una configuración antropomórfica, que se acoplan externamente al cuerpo humano para mejorar las capacidades físicas de la persona usuaria). Los exoesqueletos se emplean en el ámbito militar (para aumentar la resistencia física y la fuerza de los soldados), en el ámbito clínico (para la rehabilitación de pacientes) y en el campo industrial (para reducir la fatiga y el esfuerzo de trabajadores sanos, disminuyendo la probabilidad de sufrir lesiones musculoesqueléticas).

Estos exoesqueletos pueden ser activos (disponen de una fuente de energía externa, típicamente una batería, que se utiliza para alimentar normalmente motores eléctricos, u otro tipo de actuadores activos -hidráulicos o neumáticos-), o pasivos (no tienen fuente de energía externa, y son accionados mediante un sistema de muelles o actuadores pasivos). Se acoplan al cuerpo humano mediante ortesis, sistemas de fijación, correas, etc....

Problema técnico a resolver

Los exoesqueletos, tanto activos como pasivos, si bien aportan un elevado soporte físico al usuario, se basan en unas estructuras mecánicas rígidas y relativamente aparatosas y pesadas, con unos sistemas de fijación al cuerpo humano que pueden ocasionar molestias a los usuarios. A medida que el usuario mueve o extiende sus extremidades, estas estructuras rígidas se mueven de manera coordinada con la articulación a la cual soportan, añadiendo una inercia al movimiento que tiene que ser superada por el motor o actuador mecánico coadyuvante a esa articulación. Además, estas estructuras rígidas pueden dificultar los movimientos naturales de la persona.

En la práctica habitual, las estructuras mecánicas rígidas de los exoesqueletos no coinciden con precisión con los ejes de las articulaciones humanas, impidiendo el movimiento de una forma natural. Esta falta de alineación entre las articulaciones humanas y las estructuras de los exoesqueletos pueden llegar a provocar dolor e incluso lesiones a los usuarios. Una solución ha sido incluir grados de libertad pasivos y redundantes para permitir que el exoesqueleto se desplace y se deforme en áreas clave para el movimiento del usuario, sin embargo, esto agrega más peso y complejidad a los sistemas.

Estas estructuras mecánicas son interesantes cuando los esfuerzos musculares requeridos son grandes, tanto en el caso de asistencia a personas sanas como a pacientes. Sin embargo, en muchas aplicaciones en las que no se requieren grandes esfuerzos musculares, un sistema que no se base en estructuras mecánicas rígidas es mucho más interesante, ya que suministra el soporte adecuado para reducir el esfuerzo muscular necesario para el manejo de cargas no muy elevadas (y consecuentemente reduce la probabilidad de lesiones musculoesqueléticas) sin limitar ninguno de los movimientos naturales del usuario.

Por otra parte, y a pesar de estar orientados a la reducción de la fatiga y las lesiones musculoesqueléticas, ninguno de los exoesqueletos existentes comercialmente para uso industrial controla en tiempo real las principales variables fisiológicas del usuario. El soporte que ofrecen los exoesqueletos es independiente de las características físicas de la persona que lo está utilizando, y no es capaz de detectar ningún nivel de alarma que indique que el usuario está trabajando dentro de los límites admisibles de esfuerzo.

Descripción de la invención

La presente invención se refiere a un dispositivo orientado a asistir en los movimientos de un usuario mediante un exoesqueleto constituido únicamente por elementos flexibles (es decir, sin una estructura rígida), integrando elementos textiles no elásticos y bandas elásticas extensibles, ajustándose al usuario en diferentes puntos de amarre mediante diferentes sistemas de sujección, y capaz de crear tensión de forma selectiva en los elementos extensibles y transmitir la fuerza resultante de la liberación de la tensión acumulada para ayudar a la realización de determinados movimientos por parte del usuario, de forma que favorezcan la realización de esos movimientos, reduciendo el esfuerzo necesario.

El objeto de la invención es un exoesqueleto constituido únicamente por elementos flexibles, que carece por lo tanto de una estructura rígida y de actuadores mecánicos, y que ayuda a la persona usuaria en la realización de tareas físicas, disminuyendo su nivel de esfuerzo y fatiga.

Además, es capaz de supervisar en tiempo real las principales variables fisiológicas del usuario, como son la temperatura corporal, la presión sanguínea, la frecuencia cardiaca, el nivel de oxígeno en sangre y la señales electromiografías (EMG) en algunos grupos musculares, entre otras.

Comparado con los exoesqueletos rígidos (activos y/o pasivos) este exoesqueleto es más ligero, proporciona mayor confort al usuario y permite un rango ilimitado de movimiento, comparable al movimiento natural, siendo capaz de aportar asistencia a determinados movimientos, como por ejemplo los necesarios para levantar y transportar cargas, para favorecer dichos movimientos.

Consta de:

• Un arnés de espalda tipo mochila para la sujeción y ajuste del exoesqueleto al torso del usuario y de unas musleras para la sujeción y ajuste del exoesqueleto a cada uno de los muslos de la persona usuaria. Estas sujeciones pueden regularse mediante una tira tipo velcro para ajustarse a diferentes alturas y volúmenes de los usuarios.

• Unas bandas elásticas, cruzadas en la espalda en forma de X y sujetas por una cinta de unión en el punto de cruce, que son las encargadas de soportar parte del esfuerzo necesario para levantar pesos, disminuyendo por tanto el esfuerzo requerido en la zona lumbar.

Estas bandas pueden ser de diferentes materiales, teniendo cada uno de ellos diferente rigidez, para variar la fuerza elástica que aportan al usuario.

El cambio de bandas se realiza de una forma sencilla, mediante un sistema de acoplamiento rápido.

Las bandas elásticas se pueden regular además mediante una banda interior, deslizable, no elástica, que permite alargar o acortar la longitud efectiva de las mismas.

• Unos sensores para la medida de las variables fisiológicas:

o un sensor colocado mediante una banda elástica próximo a la axila del usuario, para la medida de la temperatura corporal;

o unos sensores inalámbricos para la medida de la señal electromiografía (EMG) colocados en diferentes grupos musculares;

o un sensor de tensión arterial

o un sensor de ritmo cardiaco y medición de oxígeno en sangre, ambos colocados en una posición que permita la medida sencilla de estas variables.

• Una electrónica de control, que se encarga de acondicionar y procesar la información de los sensores, y enviarla a un dispositivo externo (ordenador personal o Smartphone) para su visualización y tratamiento.

Esta electrónica esta alojada en un compartimento situado en la espalda del exoesqueleto. En este compartimento se aloja también una pequeña batería, para la alimentación de los sensores y la electrónica de control.

Durante el funcionamiento normal del exoesqueleto, el sistema electrónico comprueba periódicamente la señal de los sensores, y si alguna de ellas sobrepasa unos límites predefinidos genera una señal de aviso. La información recogida por los sensores se puede enviar al dispositivo externo, mediante comunicación WiFi o Bluetooth, para su procesamiento posterior.

El objeto del invento, proporciona una serie de ventajas:

• Asistencia al usuario en las operaciones que impliquen levantar pesos o movimientos de inclinación del tronco, reduciendo los esfuerzos en la zona lumbar, y por lo tanto disminuyendo la probabilidad de sufrir una lesión musculo-esquelética.

• Nivel de asistencia regulable, utilizando unas bandas elásticas (intercambiables mediante un mecanismo de acople/desacople rápido) con mayor o menor rigidez. • Ajuste a las dimensiones antropométricas del usuario, pudiendo ajustarse tanto en altura como en volumen corporal.

• Control en tiempo real de las principales variables fisiológicas del usuario, generando un aviso si alguna de estas variables sobrepasa un nivel considerado como crítico.

Otras configuraciones y ventajas de la invención se pueden deducir a partir de la descripción siguiente, y de las reivindicaciones dependientes.

Descripción de los dibujos

Para comprender mejor el objeto de la invención, se representa en las figuras adjuntas una forma preferente de realización, susceptible de cambios accesorios que no desvirtúen su fundamento. En este caso:

La figura 1a representa una vista general en perspectiva del exoesqueleto objeto del invento, con sus componentes básicos integrantes y la interconexión entre ellos en posición desplegada.

La figura 1b representa los elementos básicos del exoesqueleto de una vista trasera.

La figura 2a representa una vista general en alzado del conjunto de la figura anterior, con sus componentes básicos en posición desplegada (en teórica correspondencia con la posición de un usuario de pie y erguido).

La figura 2b representa una vista general en alzado, similar a la figura anterior, pero con sus componentes básicos en posición de tensión (en teórica correspondencia con la posición de un usuario de pie pero con el tronco inclinado).

La figura 3 representa una vista esquemática de la conexión de la electrónica y los sensores.

Descripción detallada de una realización preferente

Se describe a continuación un ejemplo de realización práctica, no limitativa, del presente invento. No se descartan en absoluto otros modos de realización en los que se introduzcan cambios accesorios que no desvirtúen su fundamento.

De conformidad con la invención, el exoesqueleto ligero, sin estructura rígida ni accionamientos mecánicos, con un control en tiempo real de las principales variables fisiológicas del usuario consta de:

Un arnés (1) tipo mochila para la sujeción del exoesqueleto al torso del paciente. El ajuste de este arnés a las diferentes alturas de cada usuario se realiza estirando de las unas cinchas (2) y fijándolas a unas tiras (3) con velcro situadas en la cintura.

Unas musleras (4), integradas con el arnés (1). El ajuste de las musleras (4) al diferente grosor de los muslos de diferentes usuarios se efectúa ajustando los velcros integrados en cada una de ellas (3').

Unas bandas elásticas (5), en disposición cruzada en X y unidas mediante una cinta de unión (6) en el punto de cruce de ambas bandas.

Según la realización representada, las bandas (5) van unidas al arnés (1) y a las musleras (4) mediante unos sistemas rápidos de acople y desacople (7) con un enganche tipo hebilla de liberación rápida.

El material de estas bandas elásticas (5) puede variar, de forma que, aumentando su rigidez aumenta el soporte ofrecido por el exoesqueleto a la persona usuaria. El cambio de bandas (5) se realiza soltando y enganchando los acoples tipo hebillas del sistema (7)

Según la realización representada, las bandas elásticas (5) disponen de otra banda interior, deslizable, no elástica (8), que se utiliza, acortando o alargando su longitud, para adecuar la longitud del exoesqueleto a la altura del usuario.

Un sensor (9), colocado próximo a la axila del usuario, para la medida de la temperatura corporal y conectado eléctricamente a la electrónica de control (13).

Unos sensores inalámbricos (10), dos de ellos situados en la zona lumbar, uno en la espalda, cerca de los omoplatos, otro en el musculo pectoral y otros dos en los cuádriceps, uno en cada uno de ellos, para la medida de las señales electromiografías (EMG). Estas señales permiten evaluar el esfuerzo muscular que se está realizando en esos grupos musculares, y por lo tanto predecir el nivel de fatiga.

Unos sensores para la medición de la tensión arterial (11), y unos sensores del ritmo cardiaco, y la saturación de oxígeno en sangre (12), colocados en la muñeca del usuario.

Una electrónica de control (13), que recoge periódicamente, acondiciona y procesa las señales de los sensores, y dispone de capacidad de comunicación Bluetooth y Wifi con dispositivo externos (15).

Una batería (14) para alimentación de la electrónica y los sensores.

Un dispositivo externo (15), que presenta los resultados de las mediciones de las variables fisiológicas del usuario del exoesqueleto, y genera una alarma si estos valores sobrepasan unos límites preestablecidos.

Según la realización representada, los sensores (20) se acoplan mediante un cable a la electrónica de control (13), excepto los sensores (10) que son inalámbricos. El cable entre cada sensor (20), excepto los sensores (10) y la electrónica (13) sirve para la alimentación de los mismos y la transmisión de la señal.

Los sensores (10) llevan incorporada su propia batería y transmiten la señal de forma inalámbrica.

Podrán ser variables los materiales, dimensiones, proporciones y, en general, aquellos otros detalles accesorios o secundarios que no alteren, cambien o modifiquen la esencialidad propuesta.

Los términos en que queda redactada esta memoria son ciertos y fiel reflejo del objeto descrito, debiéndose tomar en su sentido más amplio y nunca en forma limitativa.

Claims (4)

REIVINDICACIONES

1. - Exoesqueleto ligero sin estructura rígida ni accionamientos mecánicos con control de las variables fisiológicas del usuario, caracterizado porque consta de:

a) un arnés (1) de espalda;

b) unas musleras (4) para la fijación a los muslos del usuario;

c) unos medios para la unión del arnés (1) al tronco y a las musleras (4), integrando dichos medios de unión a unas bandas elásticas extensibles (5) y a una banda textil interior, deslizable, no elásticos (8);

2. - Exoesqueleto según reivindicación 1, caracterizado porque las citadas bandas elásticas (5) se pueden intercambiar por otras de diferente rigidez mediante un sistema rápido de acople y desacople (7), para variar el soporte ofrecido al usuario por el exoesqueleto;

3. - Exoesqueleto según la reivindicación 1, caracterizado porque costa de un conjunto de sensores (20) para la medición de las variables fisiológicas del usuario; constando dicho conjunto (20) de; un sensor (9) colocado próximo a la axila del usuario, para la medida de la temperatura corporal; unos sensores inalámbricos (10) para la medida de la señal electromiografía colocados en diferentes grupos musculares; un sensor de tensión arterial (11) y un sensor de ritmo cardiaco y medición de oxígeno en sangre (12);

4. - Exoesqueleto según la reivindicación 1, caracterizado porque consta de una electrónica (13) para el acondicionamiento y el procesamiento de las señales de los sensores que se puede comunicar con un dispositivo externo (15) que puede procesar la información sensorial, visualizarla y generar avisos en el caso de sobrepasarse unos límites prefijado.