ES2491218T3

ES2491218T3 - Exoesqueleto semimotorizado de las extremidades inferiores

Info

Publication number: ES2491218T3
Application number: ES06750299.7T
Authority: ES
Inventors: Russdon Angold; Nathan H. Harding; Homayoon Kazerooni
Original assignee: University of California
Current assignee: University of California
Priority date: 2005-04-13
Filing date: 2006-04-13
Publication date: 2014-09-05
Anticipated expiration: 2026-04-13
Also published as: US8057410B2; US20070056592A1; IL186181A; IL186181A0; WO2006113520A2; AU2006236579B2; EP1874239A4; EP1874239B1; WO2006113520A3; CN101175456A; CA2604892A1; CA2604892C; AU2006236579A1; EP1874239A2; CN101175456B; PL1874239T3

Abstract

Un exoesqueleto (100) de las extremidades inferiores, configurable para ser acoplado a una persona (187), comprendiendo dicho exoesqueleto de las extremidades inferiores: dos soportes (101, 102) para las piernas configurables para ser acoplados a las extremidades inferiores de dicha persona y configurados para reposar sobre el suelo durante sus fases de apoyo al lado de los pies de dicha persona, que reposan sobre el suelo, comprendiendo cada uno de dichos soportes para las piernas una barra articulada (103, 104) para el muslo y una barra articulada (105, 106) para la pantorrilla, y estando dispuestos dichos dos soportes para las piernas, durante sus fases de apoyo, para transferir fuerzas desde sus barras para las pantorrillas al suelo; dos articulaciones (107, 108) de rodilla, configurada cada una para permitir la flexión y la extensión entre la respectiva barra para la pantorrilla y la respectiva barra para el muslo; y un tronco exoesquelético (109) configurable para ser acoplado a la parte superior del cuerpo de dicha persona, conectable de forma giratoria a dichas barras para los muslos de dichos soportes para las piernas, permitiendo la flexión y la extensión entre dichos soportes para las piernas y dicho tronco exoesquelético; dos generadores (110, 111) de par acoplados a dichas articulaciones de rodilla; y un grupo motor (201) capaz de proporcionar potencia, acoplado a dichos generadores de par, estando configurado el grupo motor para operar en al menos dos modos para cada generador de par, incluyendo dicho grupo motor un subcomponente (240) de inyección de potencia, capaz de inyectar potencia al generador de par, y un subcomponente (200) de disipación de potencia, capaz de disipar potencia del generador de par, en el que: cuando dicho grupo motor opera en su primer modo con respecto a uno de dichos generadores de par, dicho grupo motor inyecta potencia en uno de dichos generadores de par para extender un respectivo ángulo de rodilla definido entre la respectiva barra para la pantorrilla y la respectiva barra para el muslo, y cuando dicho grupo motor opera en su segundo modo con respecto a uno de dichos generadores de par, la energía requerida para dicha flexión y dicha extensión entre la respectiva barra para la pantorrilla y la respectiva barra para el muslo de dicho correspondiente soporte para la pierna, en un movimiento cíclico de rodilla, es proporcionada por dicha persona, pero dicho grupo motor hace que uno de dichos generadores de par resista la flexión.

Description

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DESCRIPCIÓN

Exoesqueleto semimotorizado de las extremidades inferiores

ANTECEDENTES

1.: Campo La presente invención versa en general sobre el ámbito de los exoesqueletos de las extremidades inferiores y, más específicamente, sobre el ámbito de los exoesqueletos semimotorizados de las extremidades inferiores.

2.: Técnica relacionada En una amplia variedad de situaciones, personas de capacidad normal se sienten a menudo frustradas cuando intentan transportar objetos excesivamente pesados o voluminosos mientras se desplazan por pendientes y escaleras. Algunas personas no pueden tan siquiera transportar su propio peso sin cansarse o lesionarse rápidamente. Por lo tanto, existen oportunidades para proporcionar un dispositivo compacto, fácil de operar, rápido y de uso general para transportar una carga mientras una persona lleva puesto el dispositivo.

El documento US 5 282 460 A da a conocer un dispositivo robótico exoesquelético para complementar el movimiento relativo entre miembros esqueléticos biológicas acoplados en una articulación biológica del portador y que forma secciones completas de un esqueleto que un ser humano ha de llevar puesto. Miembros primero y segundo de estructura para articulaciones mecánicas son fijables al portador adyacentes a la articulación biológica. Las articulaciones mecánicas definen un centro de rotación relativa de los miembros de la estructura en torno al menos a dos, y preferiblemente tres, ejes mutuamente perpendiculares, estando desplazado el centro de rotación relativa de los miembros de la estructura con respecto a las superficies externas de los miembros esqueléticos para que se correspondan en posición con el centro de la articulación biológica. Hay acoplados dispositivos de accionamiento en forma de cilindros hidráulicos entre los miembros primero y segundo de una estructura para hacer girar de forma motorizada los miembros de la estructura bajo el control de un microprocesador que puede ejecutar secuencias almacenadas o aplicar potencia en la misma dirección ejercida por el portador contra sensores de presión acoplados al microprocesador. La articulación mecánica incluye superficies esféricas de guiado que definen una conexión deslizante de los miembros de la estructura, y que tienen un radio que intersecta el centro de la articulación biológica.

SUMARIO Según un primer aspecto de la presente invención, se proporciona el exoesqueleto de las extremidades inferiores de la reivindicación 1.

Según un segundo aspecto de la presente invención, se proporciona el método de operación del exoesqueleto de las extremidades inferiores de la reivindicación 18.

Las oportunidades descritas en la anterior sección de antecedentes son abordadas en los siguientes ejemplos descritos e ilustrados de un exoesqueleto de las extremidades inferiores que una persona se puede poner. El exoesqueleto de las extremidades inferiores comprende dos soportes para las piernas conectables a las extremidades inferiores de la persona y configurados para reposar sobre el suelo durante su fase de apoyo. Cada uno de los soportes para las piernas comprende una barra anticulada para el muslo y una barra articulada para la pantorrilla; una articulación de rodilla configurada para permitir la flexión y la extensión entre la barra para la pantorrilla y la barra para el muslo. El exoesqueleto de las extremidades inferiores comprende, además, un tronco exoesquelético conectable a la parte superior del cuerpo de la persona. El tronco exoesquelético es conectable a las barras para los muslos de los soportes para las piernas, permitiendo la flexión y la extensión entre los soportes para las piernas y el tronco exoesquelético. Hay dos generadores de par acoplados a cada una de las articulaciones de rodilla. Hay un grupo motor, capaz de proporcionar potencia, acoplado a los generadores de par. En funcionamiento, cuando un soporte para las piernas está en una fase de apoyo y subiendo una pendiente o escaleras, el grupo motor inyecta potencia en el respectivo generador de par, extendiendo con ello el respectivo ángulo de rodilla. Cuando un soporte para la pierna está en fase de apoyo y no subiendo una pendiente ni escaleras, el grupo motor no inyecta potencia alguna al respectivo generador de par, pero, sin disipar nada de la potencia almacenada en dicho grupo motor, obliga al generador de par a resistir la flexión de la respectiva articulación de rodilla. Cuando un soporte para la pierna está en una fase de oscilación, el grupo motor no inyecta potencia alguna al respectivo generador de par, pero, sin disipar nada de la potencia almacenada en dicho grupo motor, obliga al generador de par a minimizar su resistencia a la flexión y la extensión de la rodilla.

DIBUJOS Se comprenderán mejor estos y otros aspectos, características y ventajas de la presente invención cuando se lea la siguiente descripción detallada con referencia a los dibujos adjuntos, en los que los mismos caracteres representan partes semejantes en todos los dibujos, en los que:

La Figura 1 es un dibujo en perspectiva de una vista frontal según una realización de la presente invención.

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La Figura 2 es un dibujo en perspectiva de una vista posterior de la realización de la Figura 1. La Figura 3 es un dibujo en perspectiva según una realización de la presente invención. La Figura 4 es un dibujo en perspectiva según una realización de la presente invención. La Figura 5 es un dibujo en perspectiva según una realización de la presente invención. La Figura 6 es un dibujo en perspectiva según una realización de la presente invención. La Figura 7 es un dibujo en perspectiva según una realización de la presente invención. La Figura 8 es un dibujo en perspectiva según una realización de la presente invención. La Figura 9 es un dibujo en perspectiva según una realización de la presente invención. La Figura 10 es una vista parcial de la invención de la realización de la Figura 9. La Figura 11 es una vista parcial de la invención de la realización de la Figura 9. La Figura 12 es un dibujo en perspectiva según una realización de la presente invención. La Figura 13 es un dibujo en perspectiva según una realización de la invención. La Figura 14 es un dibujo en perspectiva según una realización del pie exoesquelético. La Figura 15 es un dibujo en perspectiva según una realización del pie exoesquelético. La Figura 16 es un dibujo en perspectiva según una realización del pie exoesquelético. La Figura 17 es un dibujo en perspectiva según una realización del pie exoesquelético. La Figura 18 es un dibujo en perspectiva según una realización del pie exoesquelético. La Figura 19 es un dibujo en perspectiva según una realización del pie exoesquelético. La Figura 20 es un dibujo según una realización de la invención. La Figura 21 es un dibujo en perspectiva según una realización de la invención. La Figura 22 es un dibujo según una realización del pie exoesquelético. La Figura 23 es un dibujo según una realización del pie exoesquelético. La Figura 24 es un dibujo según una realización del pie exoesquelético. La Figura 25 es un dibujo según una realización del pie exoesquelético. La Figura 26 es un dibujo según una realización del pie exoesquelético. La Figura 27 es un dibujo en perspectiva según una realización de la invención. La Figura 28 es un dibujo que representa una realización del grupo motor del exoesqueleto La Figura 29 es un dibujo que representa una realización de la circuitería hidráulica del exoesqueleto. La Figura 30 es un dibujo que representa una realización de la circuitería hidráulica del exoesqueleto. La Figura 31 es un dibujo que representa una realización de la circuitería hidráulica del exoesqueleto. La Figura 32 es un dibujo que representa una realización de la circuitería hidráulica del exoesqueleto. La Figura 33 es un dibujo que representa una realización de la circuitería hidráulica del exoesqueleto. La Figura 34 es un dibujo que representa una realización de la circuitería hidráulica del exoesqueleto. La Figura 35 es un dibujo que representa una realización de la circuitería hidráulica del exoesqueleto. La Figura 36 es un dibujo que representa una realización del exoesqueleto guardado en posición vertical cuando el exoesqueleto no está en uso pero necesita ser transportado.

DESCRIPCIÓN DETALLADA Según una realización de la presente invención, la Figura 1 y la Figura 2 son dibujos en perspectiva que ilustran un exoesqueleto 100 de las extremidades inferiores que una persona 187 puede llevar puesto. El exoesqueleto 100 de las extremidades inferiores comprende dos soportes 101 y 102 para las piernas, que están configurados para ser conectables a las extremidades inferiores de la persona y configurados para reposar sobre el suelo durante su fase de apoyo. Los soportes para las piernas comprenden barras articuladas 103 y 104 para los muslos y barras articuladas 105 y 106 para las pantorrillas. Dos articulaciones 107 y 108 de rodilla están configuradas para permitir la flexión y la extensión entre la pantorrilla y el muslo de los soportes para las piernas (mostrados por las flechas 213 y 214, respectivamente). El exoesqueleto 100 de las extremidades inferiores comprende, además, un tronco exoesquelético 109. El tronco exoesquelético 109, entre otros componentes, comprende un dispositivo 150 de interacción con un ser humano. El tronco exoesquelético 109 es configurable para ser acoplado a la parte superior del cuerpo de la persona mediante el dispositivo 150 de interacción con un ser humano. Parte superior del cuerpo de la persona significa cualquier ubicación por encima de los muslos. El tronco exoesquelético 109 es conectable de forma giratoria a los barras 103 y 104 para los muslos de los soportes 101 y 102 para las piernas en las articulaciones 125 y 126 de flexión-extensión de la cadera, que permiten las rotaciones de flexión y extensión de la cadera (mostradas por las flechas 215 y 216, respectivamente) de los soportes 101 y 102 para las piernas en torno a los ejes 151 y 152 de flexión-extensión de la cadera, respectivamente.

Hay acoplados dos generadores 110 y 111 de par a las articulaciones 107 y 108 de rodilla. Un grupo motor 201, capaz de proporcionar potencia, está acoplado a los generadores 110 y 111 de par, y está configurado para operar en al menos dos modos para cada generador 110 y 111 de par. En operación, cuando el grupo motor 201 funciona en su primer modo con respecto al generador 110 de par, el grupo motor 201 inyecta potencia en el generador 110 de par para extender el ángulo de rodilla del soporte 101 para la pierna, que está definido entre el barra 105 para la pantorrilla y la barra 103 para el muslo del soporte 101 para la pierna. Cuando el grupo motor 201 funciona en su segundo modo con respecto al generador 110 de par, la energía requerida para la flexión y la extensión entre la barra 105 para la pantorrilla y la barra 103 para el muslo del soporte 101 para la pierna en un movimiento cíclico de la rodilla es proporcionada por la persona 187, pero el grupo motor 201 hace que el generador 110 de par resista la flexión. Se aplica la misma operación para el generador 111 de par. Cuando el grupo motor 201 opera en su primer

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modo con respecto al generador 111 de par, el grupo motor 201 inyecta potencia en el generador 111 de par para extender el ángulo de rodilla del soporte 102 para la pierna. Cuando el grupo motor 201 opera en su segundo modo con respecto al generador 111 de par, la energía requerida para la flexión y la extensión entre la barra 106 para la pantorrilla y el barra 104 para el muslo del soporte 102 para la pierna en un movimiento cíclico de la rodilla es proporcionada por la persona 187, pero el grupo motor 201 hace que el generador 111 de par resista la flexión.

Aquí se define un movimiento cíclico de la rodilla como un movimiento en el que las configuraciones mutuas inicial y final de una barra (105 o 106) para la pantorrilla y su correspondiente barra (103 o 104) para el muslo son casi idénticas entre sí. En particular, cuando un soporte para la pierna está en una fase de oscilación, un movimiento cíclico de rodilla es un movimiento en el que el soporte para la pierna no está en contacto con el suelo y las configuraciones mutuas inicial y final de la barra para la pantorrilla y la barra para el muslo correspondientes son casi idénticas. Asimismo, cuando un soporte para la pierna está en una fase de apoyo, un movimiento cíclico de rodilla es un movimiento en el que el soporte para la pierna está en contacto con el suelo y las configuraciones mutuas inicial y final de la barra para la pantorrilla y de la barra para el muslo correspondientes son casi idénticas.

En algunas realizaciones, el grupo motor 201 opera, además, en un tercer modo para cada uno de los generadores 110 y 111 de par. En funcionamiento, cuando el grupo motor 201 opera en su tercer modo con respecto al generador 110 de par, la energía requerida para la flexión y la extensión entre la barra 105 para la pantorrilla y la barra 103 para el muslo del soporte 101 para la pierna en un movimiento cíclico de la rodilla es proporcionada por la persona 187, y el grupo motor 201 hace que el generador 110 de par minimice su resistencia a la flexión y a la extensión de la rodilla. De forma similar, cuando el grupo motor 201 opera en su tercer modo con respecto al generador 111 de par, la energía requerida para la flexión y la extensión entre la barra 106 para la pantorrilla y la barra 104 para el muslo del soporte 102 para la pierna en un movimiento cíclico de la rodilla es proporcionada por la persona 187, y el grupo motor 201 hace que el generador 111 de par minimice su resistencia a la flexión y a la extensión de la rodilla.

En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 1, el exoesqueleto 100 de las extremidades inferiores comprende al menos un sensor de pie por cada soporte para la pierna. El soporte 101 para la pierna incluye el sensor 160 de pie, que produce una señal 219 de apoyo que representa la fuerza en la planta del correspondiente pie del usuario. De manera similar, el soporte 102 para la pierna incluye el sensor 161 de pie, que produce una señal 220 de apoyo que representa la fuerza en la planta del otro pie del usuario. El grupo motor 201 controla los generadores 110 y 111 de par en función de las señales 219 y 220 de apoyo. Las señales 219 y 220 de apoyo detectan si la pierna del usuario está en una fase de apoyo o en una fase de oscilación. En algunas realizaciones de sensores de pie, las señales 219 y 220 de apoyo representan la magnitud de la fuerza sobre la planta de los pies del usuario. Durante la fase de oscilación, las señales 219 y 220 de apoyo detectan una magnitud pequeña o nula para la fuerza sobre la planta de los pies del usuario.

En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 20, el exoesqueleto 100 de las extremidades inferiores incluye al menos un sensor de ángulo por cada soporte para la pierna. El soporte 101 para la pierna comprende un sensor 243 de ángulo que produce una señal 245 de ángulo que representa el ángulo de la articulación 107 de rodilla. De manera similar, el soporte 102 para la pierna comprende un sensor 244 de ángulo que produce una señal 246 de ángulo que representa el ángulo de la articulación 108 de rodilla. El grupo motor 201 controla los generadores 110 y 111 de par en función de las señales 245 y 246 de ángulo. Las señales 245 y 246 de ángulo detectan si los soportes 101 y 102 para las piernas están en una postura (es decir, doblados) para subir escaleras o una pendiente. En algunas realizaciones de los sensores de ángulo, las señales 245 y 246 de ángulo representan la magnitud de los ángulos de articulación para las articulaciones 107 y 108 de rodilla.

En algunas realizaciones, el grupo motor 201 opera en su primer modo con respecto al generador 110 de par, cuando la señal 219 de apoyo indica la presencia de una fuerza sobre la planta del correspondiente pie humano (es decir, el soporte 101 para la pierna está en una fase de apoyo) y la señal 245 de ángulo indica que el soporte 101 para la pierna está doblado o tiene la postura de subir escaleras o una pendiente. Se aplica lo mismo para el generador 111 de par. El grupo motor 201 opera en su primer modo con respecto al generador 111 de par, cuando la señal 220 de apoyo indica la presencia de una fuerza sobre la planta del correspondiente pie humano (es decir, el soporte 102 para la pierna está en una fase de apoyo) y la señal 246 de ángulo indica que el soporte 102 para la pierna está doblado o tiene la postura de subir escaleras o una pendiente. En toda esta solicitud, la subida de escaleras y pendientes se detecta cuando el ángulo de articulación de rodilla (mostrado como el ángulo “A” para la articulación 108 de rodilla in la Figura 20) está doblado o se hace menor que un valor preestablecido al comienzo de la fase de apoyo para una pierna. En una realización, se escogió que el valor preestablecido fuera de 135°. En otra realización, se escogió que el valor preestablecido fuera de 165°.

En algunas realizaciones, el grupo motor 201 opera en el segundo modo con respecto al generador 110 de par, cuando la señal 219 de apoyo indica la presencia de una fuerza sobre la planta del correspondiente pie humano (es decir, el soporte 101 para la pierna está en una fase de apoyo) y el sensor 245 de ángulo detecta que el soporte 101 para la pierna no está doblado ni tiene la postura de subir escaleras ni una pendiente. Se aplica lo mismo para el generador 111 de par. El grupo motor 201 opera en el segundo modo con respecto al generador 111 de par, cuando la señal 220 de apoyo indica la presencia de una fuerza sobre la planta del correspondiente pie humano (es decir, el

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soporte 102 para la pierna está en una fase de apoyo) y la señal 246 de ángulo indica que el soporte 102 para la pierna no está doblado ni tiene la postura de subir escaleras o una pendiente.

En algunas realizaciones, el grupo motor 201 opera en el tercer modo con respecto al generador 110 de par, cuando la señal 219 de apoyo detecta que el soporte 101 para la pierna está en una fase de oscilación. Se aplica lo mismo para el generador 111 de par. El grupo motor 201 opera en el tercer modo con respecto al generador 111 de par, cuando la señal 220 de apoyo detecta que el soporte 102 para la pierna está en una fase de oscilación.

En resumen, el grupo motor 201 es configurable para inyectar potencia en los generadores 110 y 111 de par durante la fase de apoyo de los soportes 101 y 102 para las piernas y cuando están doblados o tienen la postura de subir escaleras o pendientes. Para ahorrar energía, durante la fase de apoyo de un soporte para la pierna cuando no está doblado ni tiene la postura de subir escaleras o pendientes, el grupo motor 201 es configurable de tal modo que la energía requerida para la flexión y la extensión entre la barra para la pantorrilla y la barra para el muslo de un soporte para la pierna en un movimiento cíclico de rodilla puede ser proporcionada por la persona. Para ahorrar aún más energía, durante la fase de oscilación de un soporte para la pierna, el grupo motor 201 es configurable de modo que la energía requerida para la flexión y la extensión entre la barra para la pantorrilla y la barra para el muslo de un soporte para la pierna en un movimiento cíclico de rodilla pueda ser proporcionada por la persona. Aunque en toda esta solicitud se hace referencia a “subir escaleras y pendientes” como las actividades en las que el grupo motor 201 inyectaría potencia, está claro para un experto en la técnica que existen otras actividades en las que es ventajosa la ayuda para levantarse (tal como “salir de una posición en cuclillas”). Por lo tanto, se pretende que “subir escaleras y pendientes” incluya cualquier actividad en la que inyectar potencia desde el grupo motor 201 sería ventajoso para el operario.

En funcionamiento, la persona 187 se acopla con (o se pone) el exoesqueleto 100 de las extremidades inferiores acoplándose con el dispositivo 150 de interacción con un ser humano (un simple cinturón en este caso de la Figura 1) y acoplándose con los dos soportes 101 y 102 para las piernas. En algunas realizaciones, mostradas en la Figura 1, los soportes 101 y 102 para las piernas comprenden dispositivos 137 y 138 de sujeción de las pantorrillas que acoplan la persona 187 a los soportes 101 y 102 para las piernas.

En algunas realizaciones, cada uno de los generadores 110 y 111 de par comprende un generador hidráulico de par. El grupo motor 201 es capaz de proporcionar potencia hidráulica para los generadores 110 y 111 de par y, entre otros componentes, según se muestra en la Figura 28, incluye circuitería hidráulica 194 configurada para que sea conectable a los generadores hidráulicos 110 y 111 de par. La circuitería hidráulica 194 del grupo motor 201 modula el flujo de fluido hidráulico hacia los generadores hidráulicos 110 y 111 de par. Los generadores hidráulicos 110 y 111 de par comprenden cualquier generador hidráulico de par o combinación de generadores de par capaz de convertir fluido hidráulico a presión en fuerza o par. Ejemplos de generadores hidráulicos 110 y 111 de par incluyen, sin limitación, cilindros hidráulicos lineales de pistón, accionadores hidráulicos giratorios, accionadores giratorios de tipo piñón y cremallera y accionadores hidráulicos giratorios del tipo de raquetas, en los que el fluido hidráulico a presión, empujando contra superficies móviles, genera fuerza o par. En la Figura 13 se muestra una ilustración de un exoesqueleto que utiliza sistemas hidráulicos giratorios. Sin embargo, un experto en la técnica se percatará de que es posible construir un exoesqueleto con la funcionalidad de esta invención, en el que los generadores 110 y 111 de par y el grupo motor 201 sean una combinación de dispositivos eléctricos que posiblemente incluya un embrague. Por ejemplo, el generador de par podría ser un husillo de bolas y el grupo motor podría ser una combinación de un embrague (para minimizar la resistencia a la flexión y la extensión durante la oscilación) y un motor eléctrico (para inyectar energía).

La Figura 29 muestra una realización de la circuitería hidráulica 194. La circuitería hidráulica 194 comprende una bomba hidráulica 240. En funcionamiento, cuando el grupo motor 201 opera en su primer modo con respecto al generador 110 de par, el motor 241 hace girar a la bomba hidráulica 240 y la bomba hidráulica 240 inyecta fluido hidráulico en el generador 110 de par, haciendo que se extienda la articulación de rodilla del soporte 101 para la pierna. El grupo motor 201 comprende, además, un componente 238 de almacenamiento de energía (mostrado en la Figura 28), tal como baterías y condensadores para proporcionar potencia para el motor 241 y otros componentes tales como sensores y componentes electrónicos. La circuitería hidráulica 194 comprende, además, una válvula 239 de aislamiento de la bomba. En funcionamiento, cuando el grupo motor 201 opera en su primer modo con respecto al generador 110 de par, la válvula 239 de aislamiento de la bomba conecta la bomba hidráulica 240 al generador 110 de par. La circuitería hidráulica 194 comprende, además, una válvula accionada 200 de restricción del flujo.

En algunas realizaciones, cuando el soporte 101 para la pierna está en una fase de apoyo y está doblado o posicionado para subir escaleras o una pendiente, el grupo motor 201 opera en su primer modo con respecto al generador 110 de par. En este primer modo, la válvula accionada 200 de restricción del flujo está cerrada y la válvula 239 de aislamiento de la bomba está abierta. Esto permite que la bomba hidráulica 240 inyecte fluido hidráulico al generador hidráulico 110 de par desde una fuente de fluido hidráulico (por ejemplo, el depósito hidráulico 195 de la Figura 29), haciendo que se extienda la articulación 107 de rodilla.

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En algunas realizaciones, cuando el soporte 101 para la pierna está en una fase de apoyo, pero no está doblado ni posicionado para subir escaleras o una pendiente, el grupo motor 201 opera en su segundo modo con respecto al generador 110 de par. En este segundo modo, la válvula 239 de aislamiento de la bomba desconecta el flujo de fluido entre la bomba hidráulica 240 y el generador 110 de par y la válvula accionada 200 de restricción del flujo restringe el flujo de fluido desde el generador 110 de par. Esto hace que la articulación 107 de rodilla resista la flexión.

En algunas realizaciones, cuando el soporte 101 para la pierna está en una fase de oscilación, el grupo motor 201 opera en su tercer modo. En este tercer modo, la válvula accionada 200 de restricción del flujo está abierta y permite el flujo de fluido hidráulico de resistencia mínima entre el generador hidráulico 110 de par y una fuente de fluido (por ejemplo, el depósito hidráulico 195). Esto permite que el soporte 101 para la pierna se mueva con poca resistencia o ninguna.

En las Figuras 29 a 35, se usa el depósito hidráulico 195 para representar a la fuente de fluido. Se puede usar un cilindro hidráulico de doble efecto con barras en ambos extremos del pistón en vez de un cilindro hidráulico de efecto simple que elimina el depósito hidráulico 195. Aunque se muestra mediante el depósito hidráulico 195, la fuente de fluido se refiere ya sea a un depósito hidráulico o a la otra cámara en un cilindro hidráulico de doble efecto con barras en ambos extremos.

La válvula accionada 200 de restricción del flujo comprende cualquier válvula o combinación de válvulas capaz de llevar a cabo las funciones indicadas. Ejemplos de válvula accionada 200 de restricción del flujo incluyen, sin limitación, válvulas de control del flujo, válvulas de control de la presión, válvulas accionadas de aguja, válvulas de solenoide y válvulas de conexión-desconexión (on-off). El motor 241 comprende cualquier dispositivo o combinación de dispositivos capaz de accionar la bomba hidráulica 240. Ejemplos de motor 241 incluyen, sin limitación, motores eléctricos, incluyendo, sin limitación, motores de CA (corriente alterna), motores de CC (corriente continua) del tipo de escobillas, motores de CC sin escobillas, motores conmutados electrónicamente (MCE), motores paso a paso y combinaciones de los mismos. En algunas realizaciones, el motor 241 es un dispositivo de combustión interna en el que se quema un combustible para crear movimiento. Aunque se afirma que el motor eléctrico 241 hace girar la bomba hidráulica 240, un experto en la técnica puede percatarse de que tanto el motor 241 como la bomba hidráulica 240 pueden tener otros tipos de acoplamientos no giratorios, tales como un movimiento lineal de vaivén.

La Figura 30 representa otra realización de la circuitería hidráulica 194. Esta realización es similar a la realización de la Figura 29, pero se ha añadido una válvula 199 de retención hidráulica (válvula unidireccional) que conecta una fuente de fluido hidráulico (por ejemplo, el depósito hidráulico 195) al generador 110 de par. Esto permite la libre extensión de la articulación de rodilla del soporte 101 para la pierna cuando el grupo motor 201 opera en los tres modos.

La Figura 31 representa otra realización de la circuitería hidráulica 194 en la que una válvula 242 de bomba de tres vías conecta el generador hidráulico 110 de par a un depósito hidráulico 195 ya sea a través de una válvula accionada 200 de restricción del flujo o a través de una bomba hidráulica 240. Cuando el grupo motor 201 opera en su primer modo con respecto al generador 110 de par, la válvula 242 de bomba de tres vías conecta el generador hidráulico 110 de par a la bomba hidráulica 240; si no, la válvula 242 de bomba de tres vías conecta el generador hidráulico 110 de par a la válvula accionada 200 de restricción del flujo. Por ejemplo, cuando el soporte 101 para la pierna está doblado, o bien en una postura para subir escaleras o una pendiente y está en la fase de apoyo, el grupo motor opera en su primer modo. En este primer modo, la válvula 242 de bomba de tres vías conecta el generador hidráulico 110 de par al depósito hidráulico 195 a través de la bomba hidráulica 240. Esto permite que la bomba hidráulica 240 inyecte fluido en el generador hidráulico 110 de par procedente del depósito hidráulico 195, haciendo que se extienda la articulación 107 de rodilla. Cuando el soporte 101 para la pierna no está en una postura para subir escaleras o una pendiente, pero está en una fase de apoyo, el grupo motor 201 opera en su segundo modo. En este segundo modo, la válvula 242 de bomba de tres vías conecta el generador hidráulico 110 de par al depósito hidráulico 195 a través de la válvula accionada 200 de restricción del flujo. La válvula accionada 200 de restricción del flujo restringe el flujo de fluido hidráulico procedente del generador 110 de par, haciendo que la articulación 107 de rodilla resista la flexión. Cuando el soporte 101 para la pierna está en una fase de oscilación, el grupo motor 201 opera en su tercer modo. En este tercer modo, la válvula 242 de bomba de tres vías conecta el generador hidráulico 110 de par al depósito hidráulico 195 a través de la válvula accionada 200 de restricción del flujo y la válvula accionada 200 de restricción del flujo se abre y permite el flujo de fluido hidráulico de resistencia mínima entre el generador hidráulico 110 de par y el depósito hidráulico 195. Esto permite que el soporte 101 para la pierna se mueva con poca resistencia o ninguna.

La Figura 32 representa otra realización de la circuitería hidráulica 194. Esta realización es similar a la realización de la Figura 31, pero se ha añadido una válvula 199 de retención para permitir una resistencia mínima a la extensión de la articulación de rodilla del soporte 101 para la pierna en todo momento.

La Figura 33 representa otra realización de la circuitería hidráulica 194 en la que se ha eliminado la válvula accionada 200 de restricción del flujo. Se ha añadido una válvula hidráulica 198 de tres vías adicional que selecciona

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entre una válvula no accionada 196 de restricción del flujo y una tubería 197 de derivación. La válvula no accionada 196 de restricción del flujo puede ser un dispositivo mucho más simple y puede ser o un simple orificio o bien un dispositivo regulable, tal como una válvula de aguja. En funcionamiento, cuando el soporte 101 para la pierna está en una fase de apoyo y está doblado o bien posicionado para subir escaleras o una pendiente, el grupo motor 201 opera en su primer modo. En este primer modo, la válvula 242 de bomba de tres vías conecta el generador hidráulico 110 de par al depósito hidráulico 195 a través de la bomba hidráulica 240. Esto permite que la bomba hidráulica 240 inyecte fluido en el generador hidráulico 110 de par procedente del depósito hidráulico 195, haciendo que se extienda la articulación 107 de rodilla. Cuando el soporte 101 para la pierna está en su fase de apoyo, pero no está ni doblado ni posicionado para subir escaleras o una pendiente, el grupo motor 201 opera en su segundo modo. En este segundo modo, la válvula 242 de bomba de tres vías conecta el generador hidráulico 110 de par a la válvula hidráulica 198 de tres vías. La válvula hidráulica 198 de tres vías conecta la válvula 242 de bomba de tres vías al depósito hidráulico 195 a través de la válvula no accionada 196 de restricción del flujo, reduciendo con ello el flujo y aumentando la impedancia del generador hidráulico 110 de par. Esto hace que la articulación 107 de rodilla resista la flexión. Cuando el soporte 101 para la pierna está en la fase de oscilación, el grupo motor 201 opera en su tercer modo. En este tercer modo, la válvula 242 de bomba de tres vías conecta el generador hidráulico 110 de par a la válvula hidráulica 198 de tres vías. La válvula hidráulica 198 de tres vías conecta la válvula 242 de bomba de tres vías al depósito hidráulico 195 a través de la tubería 197 de derivación, aumentando con ello el flujo de fluido y disminuyendo la impedancia del generador hidráulico 110 de par. Esto permite que el soporte 101 para la pierna se mueva con poca resistencia o ninguna.

La Figura 34 representa otra realización de la circuitería hidráulica 194. Esta realización es similar a la realización de la Figura 33, pero se ha añadido una válvula 199 de retención para permitir una resistencia mínima a la extensión de la rodilla en todo momento.

Es importante hacer notar que hay una plétora de posibles circuitos hidráulicos que podrían usarse para crear el comportamiento que es objeto de esta invención. La inspección de diversas realizaciones de la circuitería hidráulica 194 revela que cada generador de par está acoplado a un subcomponente de inyección de potencia del grupo motor 201, capaz de inyectar potencia en un generador de par, y a un subcomponente de disipación de potencia del grupo motor 201 capaz de disipar potencia del generador de par. Por ejemplo, el examen de la Figura 29 muestra que la válvula accionada 200 de restricción del flujo es un subcomponente de disipación de potencia, mientras que la bomba hidráulica 240 es un subcomponente de inyección de potencia. El grupo motor 201 selecciona a qué subcomponente generador de par se conectará.

En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 28, el grupo motor 201 comprende, además, un procesador 159 de señales capaz de crear señales de instrucciones para diversos componentes del grupo motor 201 para controlar el grupo motor 201. El procesador de señales comprende un elemento o una combinación de elementos seleccionados de un grupo consistente en dispositivos analógicos; módulos analógicos de cálculo; dispositivos digitales, incluyendo, sin limitación, circuitos integrados a escala pequeña, mediana y grande, circuitos integrados para aplicaciones específicas, matrices de puertas programables y matrices de lógica programable; y módulos digitales de cálculo, incluyendo, sin limitación, microordenadores, microprocesadores, microcontroladores y controladores lógicos programables. En algunas realizaciones, el procesador 159 de señales comprende un elemento o una combinación de elementos seleccionados de un grupo consistente en relés electromecánicos o conmutadores MOS-FET. El procesador 159 de señales genera señales de instrucciones para dicha circuitería hidráulica a partir de las señales 219 y 220 de apoyo y de las señales 245 y 246 de ángulo o de una combinación de las mismas.

También es importante hacer notar que podría usarse cualquiera de estos circuitos hidráulicos para capturar energía cuando se baja una pendiente o una escalera. Considerando la Figura 29, puede verse que si el grupo motor detectó que el operario bajaba una pendiente pronunciada y la pierna estaba en la fase de apoyo, podría abrirse la válvula 239 de aislamiento de la bomba y podría cerrarse la válvula accionada 200 de restricción del flujo. Esto desviaría hacia atrás al fluido bajo presión al interior de la bomba hidráulica 240, la cual podría comportarse entonces como un motor hidráulico (si se configura debidamente), haciendo que el motor eléctrico 241 girase al revés y generase electricidad. Si el medio de almacenamiento de energía del grupo motor 201 fuera capaz de aceptar tal energía, como una batería, entonces esta energía podría ser capturada y usada más tarde para proporcionar asistencia mientras se sube una pendiente o una escalera. (Obsérvese que el grupo motor 201 puede detectar la condición de bajar una pendiente observando un ángulo de rodilla cercano a 180° al comienzo del apoyo y un ángulo mucho menor al final del apoyo). El sistema podría comportarse como antes durante la oscilación (proporcionando una resistencia mínima a la flexión o la extensión), durante el apoyo mientras se sube (inyectando potencia), y durante el apoyo mientras se anda sobre suelo casi horizontal (disipando energía a través de un dispositivo tal como una válvula de restricción de flujo).

De hecho, si la bomba hidráulica 240 y el motor 241 pudieran ser diseñados para proporcionar la debida cantidad de resistencia a la flexión durante el apoyo y una resistencia mínima durante la oscilación mientras se anda sobre suelo horizontal, la válvula accionada 200 de restricción del flujo podría ser eliminada, y podría usarse el sistema simple mostrado en la Figura 35. Sin embargo, esto solo sería económico, desde un punto de vista de consumo de

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energía, si el motor 241 consumiese únicamente cantidades insignificantes de energía, o ninguna en absoluto, mientras la pierna estuviera apoyada mientras anduviese sobre suelo horizontal o casi horizontal.

Un experto en la técnica observará que, en todos estos circuitos, el depósito hidráulico 195 de una pierna podría combinarse con el depósito hidráulico de la otra pierna. Además, los motores 241, la bomba hidráulica 240 y los depósitos 195, separados, podrían combinarse en forma de un suministro más tradicional de potencia hidráulica consistente en un depósito de baja presión, un solo motor y una sola bomba hidráulica, un depósito de alta presión y algunas válvulas de control que dejasen salir el flujo correcto de fluido hidráulico del depósito de alta presión y al interior de cada uno de los generadores hidráulicos de par. Sin embargo, este diseño no es tan ventajoso como un solo motor por generador hidráulico de par, debido a la gran cantidad de energía desperdiciada por tales válvulas de control.

También se debe hacer observar que todas las válvulas de alivio de la presión han sido omitidas de los diagramas hidráulicos en aras de la claridad.

Explicando adicionalmente la geometría del exoesqueleto mostrado en la Figura 1, en algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 1, el tronco exoesquelético 109 incluye dos barras 114 y 115 para la cadera conectables de forma giratoria a barras 103 y 104 para los muslos en las articulaciones 125 y 126 de flexión-extensión de la cadera, permitiendo la flexión y la extensión de los soportes 101 y 102 para las piernas en torno a los ejes 151 y 152 de flexión-extensión de la cadera, respectivamente. En algunas realizaciones, las barras 114 y 115 para la cadera están conectadas de forma giratoria entre sí en la articulación 113 de abducción-aducción, permitiendo la abducción y/o la aducción de los soportes 101 y 102 para las piernas. La abducción y la aducción de los soportes 101 y 102 para las piernas se muestran con las fechas 217 y 218, respectivamente.

En algunas realizaciones, la energía requerida para el movimiento de flexión y extensión entre los soportes 101 y 102 para las piernas y el tronco exoesquelético 109 en un movimiento cíclico de cadera es proporcionada por dicha persona. En algunas otras realizaciones, pueden acoplarse generadores de par a las articulaciones 125 y 126 de la cadera.

En algunas realizaciones, el tronco exoesquelético 109 está configurado para aguantar una carga posterior 118 detrás de la persona 187. En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 1, la carga posterior 118 es aguantada por barras 114 y 115 para la cadera. En algunas realizaciones, el tronco exoesquelético 109 comprende, además, estructuras de extensión 119 y 120 configuradas para aguantar una carga frontal 154 delante de la persona

187. En algunas realizaciones (según se muestra en la Figura 1) las estructuras de extensión 119 y 120 son conectables a las barras114 y 115 para la cadera. Ejemplos de carga posterior 118 y carga frontal 154 incluyen, sin limitación, una mochila, un portabebés, recipientes de alimentos, sacos, jarras de agua, cajas de herramientas, barriles, municiones, armamento, ropa de cama, suministros de primeros auxilios, bolsas de golf, sacas de correo, una cámara, un aventador de hojarasca, un compresor, maquinarias electromecánicas y combinaciones de los mismos. En algunas realizaciones, la carga posterior 118 y/o la carga frontal 154 son otra persona que está siendo transportada por la persona 187. En algunas realizaciones, el tronco exoesquelético 109 soporta una porción del peso de la persona 187 mediante el dispositivo 150 de interacción con el ser humano.

La Figura 3 muestra otra realización de la invención en la que el tronco exoesquelético 109 comprende, además, un elemento elástico 116 de cadera configurado para aplicar par entre las barras 114 y 115 para la cadera. Ejemplos de un elemento elástico de cadera incluyen, sin limitación, resorte de tracción, resorte de compresión, resorte de lámina, resorte de gas, resorte neumático, caucho, elastómero, tubo quirúrgico, cuerda elástica y combinaciones de los mismos. La rigidez del elemento elástico 116 de cadera puede ser escogida de modo que su fuerza soporte generalmente el peso de los soportes 101 o 102 para las piernas durante la fase de oscilación.

Algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 3, también pueden incluir un tope 211 de abducción de la cadera que limite o impida que las barras 114 y 115 para la cadera se abduzcan entre sí. En la realización particular mostrada en la Figura 3, se crea el tope 211 de abducción usando un cable de acero. El cable 211 de acero impide que se produzca la abducción de los soportes 101 y 102 para las piernas, pero permite la aducción de los soportes 101 y 102 para las piernas.

Según otra realización de la invención, la Figura 4 es un dibujo en perspectiva en el que el tronco exoesquelético 109 incluye dos barras 114 y 115 para la cadera conectables de forma giratoria a las barras 103 y 104 para los muslos, que permiten la flexión y la extensión de los soportes 101 y 102 para las piernas con respecto al tronco exoesquelético 109, en el que las barras 114 y 115 para la cadera están conectadas entre sí de forma flexible, permitiendo la abducción y/o la aducción de los soportes 101 y 102 para las piernas. En el ejemplo mostrado en la Figura 4, esto se logra mediante el muelle 153 de lámina.

Según otra realización de la invención, la Figura 5 es un dibujo en perspectiva en el que el tronco exoesquelético 109 comprende, además, una ménsula 117 de conexión configurada para transferir el peso de la carga posterior 118 al tronco exoesquelético 109. El tronco exoesquelético 109 comprende, además, dos barras 114 y 115 para la

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cadera conectables de forma giratoria a las barras para los muslos que permiten la flexión y la extensión de los soportes 101 y 102 para las piernas con respecto al tronco exoesquelético 109. Las barras 114 y 115 para la cadera están conectadas de forma giratoria a la ménsula 117 de conexión mediante dos articulaciones 176 y 177 de abducción-aducción de la cadera y giran en torno a dos ejes 178 y 179 de abducción-aducción de la cadera. En algunas realizaciones, los ejes 178 y 179 de abducción-aducción de la cadera son generalmente paralelos entre sí. En algunas realizaciones, las articulaciones 176 y 177 de abducción-aducción de la cadera coinciden entre sí. Además, en algunas realizaciones, como se muestra en la Figura 6, las articulaciones 176 y 177 de abducciónaducción de la cadera coinciden entre sí formando la articulación 113 de abducción-aducción de la cadera, y los ejes 178 y 179 de abducción-aducción de la cadera se convierten en un único eje 112 de abducción-aducción de la cadera.

En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 6, el tronco exoesquelético 109 comprende, además, elementos elásticos 121 y 122 de abducción-aducción de la cadera configurados para aplicar pares entre las barras 114 y 115 para la cadera y el soporte 117 de conexión. Ejemplos de elementos elásticos de abducción-aducción de la cadera incluyen, sin limitación, resorte de tracción, resorte de compresión, resorte de de gas, resorte neumático, caucho, tubo quirúrgico, resortes de lámina, cuerda elástica y combinaciones de los mismos. La rigidez de los elementos elásticos 121 y 122 de abducción-aducción de la cadera puede ser escogida de modo que su fuerza aguante generalmente el peso de los soportes 101 o 102 para las piernas durante la fase de oscilación y ayude a la persona a mantener la carga orientada verticalmente mientras camina. En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 7, la ménsula 117 de conexión comprende, además, estructuras de extensión 119 y 120 configuradas para aguantar la carga frontal 154 delante de la persona 187.

En algunas realizaciones, según se muestra en las Figuras 1, 5, 6 y 7, el tronco exoesquelético 109 comprende un dispositivo 150 de interacción con el ser humano, capaz de acoplar la persona 187 al exoesqueleto 100 de las extremidades inferiores. Ejemplos de dispositivo 150 de interacción con el ser humano comprenden un elemento o una combinación de elementos que incluyen, sin limitación, chalecos, cinturones, correas, tirantes de bandolera, bandas torácicas, un molde corporal, un arnés y cinturones. En algunas realizaciones, el dispositivo 150 de interacción con el ser humano transfiere una porción del peso de la persona 187 al tronco exoesquelético 109. La Figura 13 muestra una realización en la que el dispositivo 150 de interacción con el ser humano comprende un arnés 229 diseñado especialmente para amoldarse al cuerpo de la persona 187. El arnés 229 transfiere una porción del peso de la persona 187 al tronco exoesquelético 109.

En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 8, las barras 114 y 115 para la cadera están conectadas de forma flexible a la ménsula 117 de conexión. En la realización mostrada en la Figura 8, esto se logra por medio de un miembro elástico 153 de cadera, que, en este caso, es un muelle de lámina.

En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 8, el tronco exoesquelético 109 comprende una estructura 180 para mochilas que permite acoplar una mochila al exoesqueleto 100 de las extremidades inferiores. En algunas realizaciones, la estructura 180 para mochilas se conecta a la ménsula 117 de conexión. En esta figura se han omitido los dispositivos 150 de interacción con un ser humano (tales como un cinturón y tirantes de bandolera) en aras de la claridad.

Según otra realización, la Figura 9 es un dibujo en perspectiva en el que los soportes 101 y 102 para las piernas incluyen, además, las articulaciones 123 y 124 de abducción-aducción del muslo configuradas para permitir la abducción y/o la aducción de los soportes 101 y 102 para las piernas en torno a los ejes 202 y 203, respectivamente. En algunas realizaciones, las articulaciones 123 y 124 de abducción-aducción del muslo están situadas por debajo de las articulaciones 125 y 126 de flexión-extensión de la cadera. Estas articulaciones se muestran con mayor detalle en la Figura 10, que es una vista parcial de la misma realización de la Figura 9.

En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 10, los soportes 101 y 102 para las piernas comprenden un tope 185 de aducción del muslo que limita o impide que las barras para los muslos se abduzcan en las articulaciones 123 y 124. Se muestran la abducción y la aducción del soporte 101 para la pierna mediante las flechas 227 y 228, respectivamente. En la realización particular mostrada en la Figura 10, la articulación 123 de abducción-aducción del muslo incluye un tope 185 de aducción del muslo que se apoya en una superficie 186 de tope del muslo. El tope 185 de aducción del muslo limita la aducción de la articulación 123 de abducción-aducción del muslo. La aducción sin restricciones de la articulación 123 de abducción-aducción del muslo, durante la fase de apoyo, haría que la barra 114 para la cadera bajase siguiendo la flecha 204 durante el apoyo, reduciendo (disminuyendo) con ello la carga. Tales articulaciones de solo abducción para las articulaciones 123 y 124 son útiles para permitir que la persona se ponga en cuclillas de forma natural. En algunas realizaciones como la mostrada en las Figuras 9 y 10, tales articulaciones de abducción están generalmente situadas por debajo de las articulaciones 125 y 126 de flexión-extensión de la cadera.

En algunas realizaciones, según se muestra en las Figuras 9 y 10, los soportes 101 y 102 para las piernas incluyen, además, articulaciones 127 y 128 de rotación de los muslos configuradas para permitir la rotación de los soportes 101 y 102 para las piernas. Las articulaciones 127 y 128 de rotación están generalmente situadas por encima de las

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articulaciones 107 y 108 de rodilla. Las líneas 164 y 165 representan los ejes de rotación de las articulaciones 127 y 128 de rotación. En las Figuras 10 y 11, esto se consigue proporcionando un contacto deslizante entre el eje 166 de giro de la cadera y el muñón 168 de giro de la cadera. Las partes incluidas en la articulación que le impiden separarse han sido omitidas en aras de la simplicidad, pero un experto en la técnica se percatará de que hay muchas maneras de retener tales ejes en tales muñones.

En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 11, las articulaciones 127 y 128 de rotación comprenden, además, un elemento elástico 129 de rotación. Este elemento elástico de rotación actúa como un resorte de torsión y proporciona un par antagonista que generalmente devuelve el soporte para la pierna a la posición neutral mostrada en la Figura 9. El elemento elástico 129 de rotación puede ser construido de muchas maneras, siendo ventajosa la particular sección transversal mostrada en la Figura 11 cuando se usa un material elastómero para construir el elemento. El elemento elástico 129 de rotación es mostrado parcialmente desviado con fines ilustrativos.

Además, en algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 10 y la Figura 11, los soportes 101 y 102 para las piernas comprenden, además, mecanismos 131 y 132 de compresión-elongación configurados para cambiar la distancia entre el tronco exoesquelético 109 y la respectiva articulación 107 y 108 de flexión-extensión de la rodilla. En algunas realizaciones, los mecanismos 131 y 132 de compresión-elongación permiten cambios en la distancia entre las articulaciones 125 y 126 de flexión-extensión de la cadera y la respectiva articulación 107 y 108 de flexiónextensión de la rodilla. Los mecanismos de compresión-elongación se contraen porque el eje 166 de giro de la cadera se desliza más hacia el interior del muñón 168 de giro de la cadera (mostrado únicamente para la pierna 101). Se permite que el elemento elástico 129 de rotación de la pierna se deslice al interior de una cavidad vacía

170. En algunas realizaciones, los mecanismos 131 y 132 de compresión-elongación comprenden, además, un elemento elástico 133 de compresión-elongación de la pierna. Este elemento elástico de compresión-elongación de la pierna actúa como un resorte y proporciona una fuerza de recuperación que generalmente devuelve el soporte para la pierna a una configuración neutral. Esto se ilustra en la realización de la Figura 11 mediante un muelle helicoidal de compresión.

En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 12, el exoesqueleto 100 de las extremidades inferiores comprende, además, dos elementos elásticos de oscilación configurados para aplicar par entre las barras para los muslos y el tronco exoesquelético 109. En operación, el elemento elástico 221 de oscilación empuja el soporte 101 para la pierna hacia delante siguiendo a las flechas 222 durante la fase de oscilación. Esto permite que la persona oscile las barras para los muslos hacia delante con menos esfuerzo. En algunas realizaciones, el elemento elástico 221 de oscilación es un muelle de gas. El muelle 221 de gas incluye un pistón 223 de muelle de gas y un cilindro 224 de muelle de gas. En operación, la fuerza del gas comprimido 225 del cilindro 224 de muelle de gas fuerza al pistón 223 del muelle de gas contra la leva 226, empujando con ello al soporte 101 para la pierna siguiendo la flecha

222. Ejemplos de un elemento elástico 221 de oscilación incluyen, sin limitación, un resorte de tracción, un resorte de compresión, un muelle de lámina, un muelle de gas, un muelle neumático, caucho, elastómero, tubo quirúrgico, cuerda elástica y combinaciones de los mismos. La rigidez del elemento elástico 221 de oscilación puede ser escogida de modo que dé un nivel apropiado de comodidad.

En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 9, la cubierta 171 del tronco exoesquelético puede cubrir algunos componentes del tronco exoesquelético 109, incluyendo partes de las barras 114 y 115 para la cadera. La operación del tronco exoesquelético es igual que en las Figuras 3 o 6, dependiendo de la elección preferida del elemento elástico 116 de cadera o de los elementos elásticos 121 y 122 de abducción-aducción de la cadera.

En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 9, las barras para los muslos comprenden dispositivos 135 y 136 de sujeción de los muslos configurados para permitir que la persona 187 se acople a los soportes 101 y 102 para las piernas. Cada dispositivo 135 o 136 de sujeción de los muslos comprende un elemento o una combinación de elementos que incluyen, sin limitación, correas, barras, ménsulas con forma de C, un molde corporal y elastómeros. En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 1, las barras 105 y 106 para las pantorrillas incluyen o comprenden los dispositivos 137 y 138 de sujeción configurados para permitir que la persona 187 se acople a los soportes 101 y 102 para las piernas. Cada dispositivo 137 y 138 de sujeción de la pantorrilla comprende un elemento o una combinación de elementos que incluyen, sin limitación, correas, barras, ménsulas con forma de C, un molde corporal y elastómeros.

En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 9, los soportes 101 y 102 para las piernas comprenden, además, pies exoesqueléticos 139 y 140 acoplados a las barras 105 y 106 para las pantorrillas, respectivamente, que permiten la transferencia de fuerzas de las barras 105 y 106 para las pantorrillas al suelo. En operación, los pies exoesqueléticos 139 y 140 son configurables para ser acoplados a los pies de la persona 187. En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 9, se logra el acoplamiento de los pies de la persona usando fijaciones 205 y 206 de tipo abatible (concha de almeja) a veces encontradas en raquetas modernas de nieve. Sin embargo, hay muchos métodos para efectuar tal conexión, como puede verse en diferentes tipos de esquís para la nieve, en tablas de nieve, en raquetas de nieve y otros dispositivos de ese tipo. En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 14, los pies exoesqueléticos 139 y 140 comprenden zapatos exoesqueléticos 188 y 189 que puede llevar puestos la persona 187, permitiendo con ello que los pies exoesqueléticos 139 y 140 se acoplen con los pies

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de la persona 187. En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 15, los pies exoesqueléticos 139 y 140 comprenden plantillas exoesqueléticas 157 y 158 insertables en los zapatos de la persona, lo que permite que los pies exoesqueléticos 139 y 140 se acoplen con los pies de la persona 187. Las plantillas 157 y 158 son flexibles y, por lo tanto, pueden doblarse para coincidir con la curvatura del pie humano durante maniobras tales como ponerse en cuclillas. Además, los soportes laterales 212 de las plantillas son flexibles o están configurados de modo que incluyan grados de libertad para imitar el movimiento del tobillo humano.

En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 9, los pies exoesqueléticos 139 y 140 están acoplados de forma flexible a las barras 105 y 106 para las pantorrillas. Esto se logra usando elementos elásticos 181 y 182 de tobillo. La Figura 16 muestra una vista en primer plano de unos pies exoesqueléticos 139. En este ejemplo, los elementos elásticos 181 (y 182) de tobillo están construidos cada uno de una articulación metálica 231 de rótula esférica rodeada por un elemento elastómero 230 con forma tórica, lo que crea flexibilidad en todas las direcciones de las rotaciones.

En algunas realizaciones, los pies exoesqueléticos 139 y 140 giran en torno a dos ejes de flexión dorsiplantar con respecto a las barras 105 y 106 para las pantorrillas. La Figura 17 muestra una realización de este tipo de exoesqueleto en el que el eje 172 de flexión dorsiplantar del tobillo es generalmente paralelo al eje de flexión dorsiplantar del tobillo humano. En algunas realizaciones, cada soporte para la pierna comprende, además, al menos un elemento elástico 141 de flexión dorsiplantar del tobillo que resiste la rotación del respectivo pie exoesquelético en torno al eje 172 de flexión dorsiplantar del tobillo.

En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 18, los pies exoesqueléticos 139 y 140 giran en torno a dos ejes 174 de abducción-aducción del tobillo con respecto a las barras 105 y 106 para las pantorrillas. La Figura 18 muestra una realización de este tipo de exoesqueleto en la que el eje 174 de abducción-aducción del tobillo es generalmente paralelo al eje de abducción-aducción del tobillo humano. En algunas realizaciones, cada soporte para la pierna comprende, además, al menos un elemento elástico 142 de abducción-aducción del tobillo que resiste la rotación del pie exoesquelético 139 en torno al eje 174 de abducción-aducción del tobillo.

En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 19, los pies exoesqueléticos 139 and 140 giran en torno a dos ejes 147 y 148 de rotación del tobillo con respecto a las barras 105 y 106 para las pantorrillas. En algunos casos, esto se logra usando una articulación 207 de rotación de la pantorrilla, que funciona de forma similar a la articulación 127 de rotación de la pierna. La Figura 19 muestra una realización de este tipo de exoesqueleto en el que el eje 147 de rotación del tobillo es generalmente paralelo al eje de rotación del tobillo humano. En algunas realizaciones, pueden incluirse elementos elásticos en el tobillo para resistir la rotación del pie exoesquelético 139 en torno al eje 147 de rotación del tobillo.

En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 22, hay integrados sensores 160 de pie en los pies exoesqueléticos 139 y 140. En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 22, el sensor 160 de pie es un sensor de presión que mide la presión en un medio 191 atrapado en una cavidad 192 del sensor de pie dentro del pie exoesquelético 139. La Figura 16 muestra una realización en la que se usa un tubo como cavidad 192 del sensor de pie. El sensor 160 de presión mide la presión en un medio 191 atrapado en una cavidad 192 del sensor de pie. En algunos casos, la señal 219 de apoyo puede adoptar la forma del propio medio 191 portado en un tubito desde la cavidad 192 al procesador 159 de señales.

La Figura 23 muestra otra realización en la que el sensor 160 de pie es un sensor de fuerza conectable al pie exoesquelético 139. En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 24, el sensor 160 de pie está situado dentro del zapato humano como una plantilla y su señal de salida representa la fuerza en la planta del pie humano. Este tipo sería particularmente útil en realizaciones de la invención como las mostradas en las Figuras 14 o 15. En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 25, el sensor 160 de pie está conectado a la suela del zapato humano y detecta la fuerza en la planta del pie humano. En algunas realizaciones, según se muestra en la Figura 26, el sensor 160 de pie está situado dentro de la suela de un zapato humano y detecta la fuerza en la planta del pie humano.

El sensor 160 de pie comprende cualquier sensor o combinación de sensores capaces de llevar a cabo las funciones indicadas. Ejemplos de sensor 160 de pie incluyen, sin limitación, sensores de fuerza, sensores de fuerza basados en medidor de deformación, sensores de fuerza piezoeléctricos, resistencias detectoras de fuerza, sensores de presión, interruptores, interruptores de cinta y combinaciones de los mismos. En algunas realizaciones, el sensor 160 de pie es un interruptor que representa la existencia de una fuerza mayor que cierta fuerza umbral en la planta del pie de la persona 187.

En algunas realizaciones, el exoesqueleto 100 de las extremidades inferiores incluye, además, dos elementos flexibles que conectan las barras para los muslos al tronco exoesquelético 109, ayudando al operario a hacer oscilar la pierna hacia delante. Esto permite que el operario oscile las barras para los muslos hacia delante con menos esfuerzo. La Figura 27 muestra una realización de la invención en la que el resorte de tracción 233 conecta la barra 103 para el muslo a la barras 114 para la cadera por medio de la estructura ajustable 119. De manera similar, el

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resorte de tracción 234 conecta la barra 104 para el muslo a la barra 115 para la cadera por medio de la estructura ajustable 120.

En la Figura 21 también se muestra una articulación adicional 235 de abducción-aducción del muslo que se incluye

5 para permitir que la pierna sea guardada en posición vertical cuando el exoesqueleto no está en uso pero necesita ser transportado. El soporte 101 para la pierna puede abducirse a lo largo del eje 237. Esto puede ser deseable si el operario ya no tiene que llevar una carga muy pesada pero necesita transportar el exoesqueleto 100 de las extremidades inferiores. En ese caso, el operario puede soltar el soporte 101 para la pierna derecha del exoesqueleto y hacer oscilar la pierna hacia fuera desde su propio cuerpo hasta que el pie exoesquelético 139

10 derecho esté en el aire sobre la cabeza del operario. A continuación, doblando la articulación 107 de la rodilla derecha y/o girando la articulación 127 de rotación de la pierna derecha, la pierna puede ser colocada de modo que se guarde detrás del operario, según se muestra en la Figura 36. Esto es posible porque la articulación 123 de abducción-aducción del muslo derecho y la articulación adicional 235 de abducción-aducción del muslo derecho permiten a cada una hacer una rotación de aproximadamente noventa grados en torno al eje 202 de abducción

15 aducción del muslo derecho y al eje adicional 237 de abducción-aducción del muslo derecho, respectivamente. Por lo tanto, la abducción total posible es de más de 180 grados. Esto podría lograrse con una articulación de abducciónaducción del muslo que tenga 180 grados de recorrido, pero diseñar tal articulación obligaría al diseñador a mover el centro de giro de la articulación muy hacia fuera del operario, lo que daría como resultado el diseño de un exoesqueleto más ancho. Esto es poco deseable, pero es un diseño alternativo viable.

20 Aunque se han descrito diversas realizaciones ejemplares, las personas expertas en la técnica apreciarán que pueden realizarse numerosas variaciones y/o modificaciones al dispositivo descrito según es mostrado aquí de manera específica sin apartarse del alcance de la invención según se define en las reivindicaciones. Por lo tanto, ha de considerarse que los diversos ejemplos son, en todos los aspectos, ilustrativos y no restrictivos.

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Claims

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REIVINDICACIONES

1. Un exoesqueleto (100) de las extremidades inferiores, configurable para ser acoplado a una persona (187), comprendiendo dicho exoesqueleto de las extremidades inferiores:

5 dos soportes (101, 102) para las piernas configurables para ser acoplados a las extremidades inferiores de dicha persona y configurados para reposar sobre el suelo durante sus fases de apoyo al lado de los pies de dicha persona, que reposan sobre el suelo, comprendiendo cada uno de dichos soportes para las piernas una barra articulada (103, 104) para el muslo y una barra articulada (105, 106) para la pantorrilla, y estando

10 dispuestos dichos dos soportes para las piernas, durante sus fases de apoyo, para transferir fuerzas desde sus barras para las pantorrillas al suelo; dos articulaciones (107, 108) de rodilla, configurada cada una para permitir la flexión y la extensión entre la respectiva barra para la pantorrilla y la respectiva barra para el muslo; y un tronco exoesquelético (109) configurable para ser acoplado a la parte superior del cuerpo de dicha

15 persona, conectable de forma giratoria a dichas barras para los muslos de dichos soportes para las piernas, permitiendo la flexión y la extensión entre dichos soportes para las piernas y dicho tronco exoesquelético; dos generadores (110, 111) de par acoplados a dichas articulaciones de rodilla; y un grupo motor (201) capaz de proporcionar potencia, acoplado a dichos generadores de par, estando configurado el grupo motor para operar en al menos dos modos para cada generador de par, incluyendo

20 dicho grupo motor un subcomponente (240) de inyección de potencia, capaz de inyectar potencia al generador de par, y un subcomponente (200) de disipación de potencia, capaz de disipar potencia del generador de par, en el que: cuando dicho grupo motor opera en su primer modo con respecto a uno de dichos generadores de par, dicho grupo motor inyecta potencia en uno de dichos generadores de par para extender un respectivo ángulo de rodilla definido entre la respectiva barra para la pantorrilla y la respectiva

25 barra para el muslo, y cuando dicho grupo motor opera en su segundo modo con respecto a uno de dichos generadores de par, la energía requerida para dicha flexión y dicha extensión entre la respectiva barra para la pantorrilla y la respectiva barra para el muslo de dicho correspondiente soporte para la pierna, en un movimiento cíclico de rodilla, es proporcionada por dicha persona, pero dicho grupo motor hace que uno de dichos generadores de par resista la flexión.

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2. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que dicho grupo motor opera, además, en un tercer modo con respecto a un generador de par, en el que: cuando dicho grupo motor opera en dicho tercer modo con respecto a uno de dichos generadores de par, la energía requerida para dicha flexión y dicha extensión entre la barra para la pantorrilla y la respectiva barra para el muslo de dicho correspondiente soporte para la pierna, en un movimiento

35 cíclico de rodilla, es proporcionada por dicha persona, y en el que se minimiza la resistencia del generador de par a la flexión y la extensión de la rodilla.
3. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que la energía requerida para el movimiento de flexión y extensión

entre una barra para el muslo y dicho tronco exoesquelético, en un movimiento cíclico de cadera, es proporcionada 40 por dicha persona.
4. El exoesqueleto de las extremidades inferiores de la reivindicación 2, comprendiendo dicho exoesqueleto de las extremidades inferiores al menos un sensor de pie por cada uno de dichos soportes para las piernas, que produce una señal de apoyo que representa la fuerza sobre la planta de cada pie de la persona, y en el que dicho

45 grupo motor controla dichos generadores de par en función de dichas señales de apoyo.
5. El exoesqueleto de las extremidades inferiores de la reivindicación 4, comprendiendo dicho exoesqueleto de las extremidades inferiores, además, al menos un sensor de ángulo por cada uno de dichos soportes para las piernas que produce una señal de ángulo que representa el ángulo de rodilla, controlando dicho grupo motor a

50 dichos generadores de par en función de dichas señales de ángulo.
6. El dispositivo de la reivindicación 5, en el que dicho grupo motor opera en dicho primer modo con respecto a uno de dichos generadores de par cuando dicha correspondiente señal de apoyo indica la presencia de una fuerza en la planta del correspondiente pie humano y dicho correspondiente sensor de ángulo detecta que dicho

55 correspondiente soporte para la pierna está ya sea doblado o en una postura para subir escaleras o una pendiente.
7. El dispositivo de la reivindicación 5, en el que dicho grupo motor opera en dicho segundo modo con respecto a uno de dichos generadores de par cuando dicha correspondiente señal de apoyo indica la presencia de una fuerza en la planta del correspondiente pie humano y dicha correspondiente señal de ángulo indica que dicho

60 correspondiente soporte para la pierna no está ni doblado ni en una postura para subir escaleras o una pendiente.
8. El dispositivo de la reivindicación 4, en el que dicho grupo motor opera en dicho tercer modo con respecto a uno de dichos generadores de par cuando dicha correspondiente señal de apoyo detecta que un soporte para la pierna está en una fase de oscilación.

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9.

El dispositivo de la reivindicación 1, en el que dicho generador de par comprende un generador hidráulico de par, y en el que dicho grupo motor, capaz de proporcionar potencia hidráulica, incluye una circuitería hidráulica conectable a dichos generadores hidráulicos de par, estando configurada dicha circuitería hidráulica para controlar dichos generadores hidráulicos de par modulando el flujo de fluido hidráulico dirigido a dichos generadores hidráulicos de par y procedente de los mismos.
10.

El dispositivo de la reivindicación 9, en el que dicha circuitería hidráulica comprende una bomba hidráulica acoplada a un motor, en el que cuando dicho grupo motor opera en dicho primer modo con respecto a uno de dichos generadores de par, dicha bomba hidráulica inyecta fluido hidráulico en ese generador de par que hace que se extienda la articulación de rodilla de dicho correspondiente soporte para la pierna.
11.

El dispositivo de la reivindicación 10, en el que dicha circuitería hidráulica comprende, además, una válvula accionada de restricción del flujo, en el que cuando dicho grupo motor opera en dicho segundo modo con respecto a uno de dichos generadores de par, dicha válvula accionada de restricción del flujo restringe el flujo de fluido procedente de ese generador de par.
12.

El dispositivo de la reivindicación 11, en el que cuando dicho grupo motor opera en un tercer modo con respecto a uno de dichos generadores de par, dicha válvula accionada de restricción del flujo se abre y permite un flujo de fluido hidráulico de mínima resistencia entre ese generador de par y una fuente de fluido hidráulico.
13.

El dispositivo de la reivindicación 10, en el que dicho motor es un motor eléctrico, en el que cuando dicho grupo motor opera en un modo de regeneración de potencia con respecto a uno de dichos generadores de par, ese generador de par inyecta fluido hidráulico en dicha bomba hidráulica, que entonces actúa como un motor hidráulico, haciendo que dicho motor eléctrico, que entonces actúa como generador eléctrico, genere electricidad.
14.

El dispositivo de la reivindicación 1, en el que dicho tronco exoesquelético está configurado para aguantar una carga posterior detrás de dicha persona cuando dicho tronco exoesquelético está acoplado a la parte superior del cuerpo de dicha persona.
15.

El dispositivo de la reivindicación 1, en el que dicha barra para el muslo de cada uno de dichos soportes para las piernas incluye, además, una articulación de abducción-aducción del muslo configurada para permitir la abducción de dicho respectivo soporte para la pierna.
16.

El dispositivo de la reivindicación 1, que, además, comprende dos elementos elásticos de oscilación configurados para aplicar un par entre dichas barras para los muslos y dicho tronco exoesquelético.
17.

El dispositivo de la reivindicación 1, en el que cada uno de dichos soportes para las piernas comprende, además, un pie exoesquelético configurado para ser acoplado al respectivo pie de dicha persona y acoplado a dicha respectiva barra para la pantorrilla para permitir la transferencia de fuerzas desde dicha barra para la pantorrilla al suelo.
18.

Un método de operación de un exoesqueleto (100) de las extremidades inferiores según la reivindicación 1, comprendiendo dicho método: acoplar una persona a dicho exoesqueleto; operar automáticamente el grupo motor

(201) para permitir la flexión de dicha respectiva articulación de rodilla durante una fase de oscilación que ha de ser accionada por la pierna humana; operar automáticamente el grupo motor para que deje de inyectar potencia en un respectivo generador de par y que resista la flexión de dicha respectiva articulación de rodilla durante la fase de apoyo del respectivo soporte para la pierna cuando una señal indique que dicho soporte para la pierna no está en una postura para subir escaleras o una pendiente; y operar automáticamente el grupo motor para que resista la flexión de dicha respectiva articulación de rodilla e inyecte potencia en el respectivo generador de par durante la fase de apoyo para que se extienda un respectivo ángulo de rodilla cuando una señal indique que dicho soporte para la pierna está en una postura para subir escaleras o una pendiente.
19. El método de la reivindicación 18, que comprende el uso de dicho exoesqueleto de las extremidades inferiores para transportar un objeto, y comprendiendo dicho método, además, acoplar dicho objeto a dicho exoesqueleto.

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