ES2544890B2 - Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano - Google Patents

Abstract

Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano.#La invención se refiere a un exoesqueleto robotizado que permite al usuario moverse cómodamente y realizar terapias médicas, fuerzas del tipo ortésico asistidas, actividades relacionadas con prácticas deportivas o entrenamientos especializados que requieran secuencias de movimientos, tareas cotidianas, o servicios de bomberos, policía, militares, etc. asistidos en fuerza por el exo-esqueleto.#El sistema está formado por un chaleco (1), al cual están adosados el exo-brazo (8), el exo-antebrazo (7), una estructura de soporte (2, 3, 4, 5), con partes deslizantes (5, 31) y bisagras (10) actuados, que permite efectuar un seguimiento de los desplazamientos del hombro respecto al cuerpo y ofrece un sólido punto de apoyo móvil además de un sistema pasivo de compensación del peso mediante husillos (22), con actuadores de potencia (9) que permiten mover de manera controlada el brazo articulado. El dispositivo comprende igualmente un sistema de alimentación (11) autónomo y una unidad de control.

Description

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EXOESQUELETO ROBOTIZADO CON SOPORTE DE CODO DESLIZANTE AUTOAJUSTABLE PARA BRAZO HUMANO

DESCRIPCION

OBJETO DE LA INVENCION

La presente invencion se engloba dentro del campo de la medicina de rehabilitacion, equipos de entrenamiento deportivo, robotica militar y robots asistenciales. En concreto, la invencion se refiere al diseno de un exoesqueleto que se puede superponer al brazo de una persona para proporcionarle asistencia en rehabilitacion, en entrenamiento deportivo, en aplicaciones militares o en la vida diaria, como ayuda para mover los brazos, segun patrones de movimiento destinados a conseguir su rehabilitacion, entrenamiento, la ejecucion de los movimientos especlficos de una disciplina, o los movimientos diarios mas frecuentes. Tambien es apropiado para uso militar, o civil en grupos como el policial o el de bomberos que puedan requerir aporte de fuerza y proteccion del cuerpo.

El objeto de la invencion es proporcionar un exoesqueleto robotizado para permitir su utilizacion en diferentes aplicaciones, con gran movilidad, con la disposition de solo cinco actuadores, consiguiendo un seguimiento correcto del movimiento del hombro y de los desplazamientos del codo sobre la estructura de soporte que hace posible ejercer grandes fuerzas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

En la actualidad, los robots de rehabilitacion que existen en el mercado internacional son de gran peso y tamano y se encuentran anclados a una silla, al suelo o a una pared. Su apariencia es la de un robot industrial junto al usuario que suele estar sentado. El paciente no se puede desplazar.

Los robots existentes de tipo exoesqueleto se dedican esencialmente a tres funciones: aumentar la fuerza del brazo, hacer rehabilitacion o controlar otros dispositivos. La mayorla de los modelos conocidos presentan grandes estructuras mecanicas y

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disponen de grandes actuadores de potencia para moverlas. Algunos son robots de cuerpo completo para poder soportar el peso del robot. Las versiones que solo cubren la parte superior del cuerpo, normalmente son el "elemento maestro” que permite controlar a un "robot esclavo” y solo son utilizables por personas sanas y para este fin.

Las principales deficiencias o desventajas y problemas no resueltos de estos modelos son:

- Gran volumen: Dificulta la movilidad en los entornos humanos e impide llevarlo a casa o emplearlo en actividades diarias del usuario.

- Gran peso: Un exoesqueleto pesado no es apto para pacientes que tienen los musculos debiles o personas mayores y es incomodo para el resto.

- Apariencia industrial: Un robot grande atemoriza. Ademas estigmatiza a su usuario. Su aspecto imposibilita su uso diario en los entornos en que la persona se mueve habitualmente.

- Complejidad: Los elementos de alta precision, materiales caros, y mecanismos complejos impiden su aplicacion domestica. El reto es conseguir una solucion eficaz y sencilla.

- Articulacion del hombro: Casi todos los sistemas roboticos tratan el hombro como una junta esferica de tres grados de libertad, pero en realidad su comportamiento no es este. El hombro no mantiene una posicion fija ni un eje o centro del giro fijo. Se desplaza arriba - abajo y delante - detras, cambiando asl el centro de giro durante los movimientos.

- Ninguno es capaz de seguir el movimiento del brazo y antebrazo acompanandolo y sin forzarlo. Esto tiene especial interes en pacientes con dolor y en militares, bomberos, etc, que podrlan requerir proteccion del brazo mientras lo mueven en un entorno hostil.

Los exoesqueletos existentes son estructuras que se situan cerca del brazo, sin envolverlo ni acompanarlo en su movimiento, pues no son capaces de seguir los movimientos del mismo. La razon fundamental es la complejidad del movimiento de la mayorla de las articulaciones humanas, y en particular de la del hombro que presenta 6 grados de libertad (3 de posicion y 3 de orientacion) y condiciona el movimiento de las restantes partes del brazo.

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Al elevar el brazo el hombro produce no solo aumento del angulo entre el cuerpo y el brazo, sino desplazamiento vertical de la articulacion y en ciertos momentos desviacion del eje de giro de la articulacion. Este tipo de desplazamientos del eje de giro del hombro se produce en las tres dimensiones del espacio por lo que el movimiento del hombro tiene 6 grados de libertad y no tres como podrla parecer a simple vista.

Por esta razon, si se quisiera hacer un exoesqueleto que sujete el brazo y el antebrazo o que los envuelva tendrla que resolver un problema en la articulacion del hombro. En el presente diseno el asunto se afronta dando una movilidad extra al codo que es dependiente de la articulacion del hombro humano, para resolver indirectamente el problema generado por este ultimo.

En primer lugar hay que aclarar por que tiene interes envolver el brazo y antebrazo y despues las alternativas que podrlan resultar validas para conseguirlo. Algunas de las razones son:

- Para repartir los esfuerzos mecanicos por el brazo: Por ejemplo, en rehabilitacion de un hombro, brazo o antebrazo con dolor. Envolver brazo y antebrazo permite acomodar el brazo doloroso sobre soportes debidamente acolchados y evita tensiones en las articulaciones. Ademas ayuda a distribuir las fuerzas de los accionamientos sobre toda la superficie de contacto del brazo con el exoesqueleto. En equipamiento militar harla mas comodo el uso y permitirla un mayor tiempo de utilizacion.

- Para conseguir mayor precision en el movimiento: Los sistemas existentes no envuelven el brazo y antebrazo, entre otras razones, porque no son capaces de seguir su movimiento. Si se consiguiera envolver el brazo sin tracciones ni tensiones, el control del movimiento serla mucho mejor. Esta ventaja tendrla especial valor en rehabilitation y en entrenamiento de movimientos espedficos (deporte, cirngfa,...).

- Para proteger el brazo: un exoesqueleto utilizado para suplir o complementar la fuerza de su usuario, podrla actuar adicionalmente como armadura (uso militar), protection antibala (policla), o ignlfuga

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(uso civil- bomberos), etc si es capaz de seguir razonablemente los movimientos de la extremidad sin forzarla.

En cuanto a las posibles maneras de envolver o acompanar el movimiento de brazo o antebrazo, dos soluciones parecen razonables:

- Separar por el hombro el exoesqueleto en dos partes: una correspondiente al brazo y otra que va acoplada al cuerpo. El movimiento de ambas deberla ser independiente para dejar al hombro libre para realizar sus movimientos naturales.

- Manteniendo el brazo del exoesqueleto unido al cuerpo por el hombro, pero dotando a este de la capacidad de movimiento que necesita, para lo cual es necesario dar a la union brazo-cuerpo los grados de libertad que el hombro requiere. Esto se puede conseguir trasladando parte de la complejidad del hombro al brazo y al codo. Para ello se permite que el brazo y el codo se puedan desplazar radialmente para seguir los movimientos del hombro. Ademas, la rotacion del hombro se traslada a la estructura del codo que a su vez se desplaza con el brazo auto- ajustandose segun la elevacion y avance del hombro en cada caso. Esta solucion presenta ciertas ventajas como la de permitir el seguimiento del hombro y facilitar la proteccion del brazo y antebrazo, sin forzar las articulaciones y la de proporcionar un punto de apoyo movil y firme al brazo, lo que, a su vez, permite aplicar grandes fuerzas al exoesqueleto,. Nadie ha utilizado este sistema hasta ahora.

En 1995 Marc D. Taylor patento (US5,417,643, referencia [2]) un soporte rudimentario para el brazo anclado a una silla en la que se coloca al usuario que permitla hacer ejercicios de elevacion y rotacion del brazo con fines de rehabilitation. Desde entonces ha habido una tendencia clara en diseno de robots de rehabilitacion a situar al paciente en una silla de ruedas o fija y colocarlo junto al robot que movera su brazo. A este tipo de robots, que llamaremos "robots fijos”, corresponden disenos como el divulgado en la patente US6,007,500 [8] de 1999, el divulgado en la referencia [9] de 2003, el ARMin, ARMin II, ARMin III de la universidad de Zurich [3] de 2007, o el robot de TSAI de la Universidad Nacional de Taiwan [4] del 2010.

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En 1998, Mark E. Rosheim presento una de las primeras patentes de exoesqueleto moderno, US5,845,540-B1 [6]. Se trata de un sistema maestro-esclavo en el cual un operador humano se coloca sobre el cuerpo el exoesqueleto y lo usa como joystick maestro para manejar un robot esclavo. A este tipo, "Exoesqueletos maestro-esclavo”, corresponden el divulgado en la patente 5,845,540 [5] patentado en 2001 por el Instituto de Ciencia y Tecnologla de Seul y el modelo patentado por Schiele, Andre Visentin, Gianfranco, EP1364755-B1 [1], presentado dos anos despues para aplicaciones espaciales.

El producto ReoTherapy ReoGo de Motorika [11] del 2009 es un joystick de gran tamano, que llega desde el suelo hasta la altura de la mano de una persona sentada en una silla de ruedas. El usuario mueve la palanca y un programa de ordenador muestra en una pantalla el movimiento de un punto que representa su mano. Le propone objetivos que el usuario debe alcanzar motivandolo mediante el juego de ordenador a ejecutar movimientos. Este equipo no es exoesqueletico ni por table. Su unica relacion con el exoesqueleto que se presenta es su aplicacion medica.

El MacARM [12] de Intelligent automation Inc del 2005 es un robot fijo de tipo jaula. El paciente se tumba en una camilla en el interior y unos cables desde las esquinas de la jaula desplazan su brazo por el espacio con fines de rehabilitacion.

Las invenciones [15] y [16] son relativas al "Sistema para entrenamiento bilateral” que consiste en una gran plataforma inclinada que se fija sobre una mesa o superficie plana. El paciente agarra unas manivelas y estas mueven las manos del paciente en movimientos deslizantes hacia delante y detras. El sistema no es portable, ni exoesqueletico. Corresponde al tipo "robot fijo”.

La patente de referencia [1], EP1364755-B1, del 2003 es un exoesqueleto para brazo con 16 grados de libertad pensado para aplicaciones espaciales, concebido como un sistema maestro para dar ordenes a un robot esclavo para trabajos de mantenimiento en el espacio, devolviendo una realimentacion de fuerzas (tipo joystick) que contribuya a manejar al robot esclavo con comodidad. Tiene mecanismos complejos como la unidad de actuacion telescopica, un alto numero de actuadores, sistemas de pretensado ajustables y muchos cables recorriendo el exoesqueleto para controlar las numerosas juntas. Su diseno no esta bien adaptado para otro tipo de aplicaciones como la rehabilitation, el entrenamiento, o el uso por personas con debilidad motora.

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Para estas aplicaciones se requiere un sistema ligero, que pueda conseguir gran movilidad. La patente EP1364755-B1, por esta concebida para ser movida por un brazo humano y no para mover el brazo, de manera que el sistema no esta adaptado para poder soportar el peso del brazo y moverlo.

La solicitud de patente PCT/ES2009/070305 titulada "Brazo robotico para el control del movimiento del brazo” [10] pertenece al grupo de "robots fijos” en una version particular que situa al paciente sobre una camilla hospitalaria. El robot va anclado al techo y toma el brazo por su parte mas alejada del cuerpo. Como todos los robots fijos no son aptos para acompanar a un paciente que se desplaza.

El exoesqueleto RUPERT [19] del que existen ya tres versiones, es un exoesqueleto actuado por sistemas neumaticos, con cuatro grados de libertad, uno en el hombro, dos en el codo y otro en la muneca. Las principales debilidades de esta solucion son que no lleva compensation de gravedad, que solo dispone de un grado de libertad en el hombro, lo que hace inviable seguir a esta articulation en un rango normal de movimientos y la presencia de actuation neumatica que obliga a conectarse a una fuente externa de aire a presion, que reduce su independencia y movilidad y lo hace ruidoso y diflcil de ocultar a la vista.

La patente US7,862,524-B2 de referencia [7] es un exoesqueleto para el brazo con fines de rehabilitation del hombro que consta de potentes actuadores de potencia y voluminosas reductoras de tipo "harmonic drive” emplazadas directamente en las uniones de los eslabones que componen la estructura. Por su diseno es un sistema pesado, y que logicamente necesita que los actuadores sean grandes, que no se pueden esconder y genera importantes pesos e inercias que complican el control del movimiento del brazo. Se distingue practicamente de todos los modelos anteriores por tener una articulacion torso-hombro que no aparece en ningun otro modelo. Esto supone un paso importante en la resolution del problema del hombro, pero solo considera el desplazamiento del hombro en el plano frontal y fundamentalmente en vertical, lo que constituye una solucion incompleta.

Hasta hoy no se conocen modelos de bajo coste, ni modelos de peso reducido con fuerza para mover el brazo del enfermo, ni sistemas de rehabilitacion portatiles que se puedan llevar al propio hogar, ni exoesqueletos portables con compensacion pasiva de

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la gravedad, ni sistemas que se adapten bien a la movilidad del hombro, o que sigan al brazo y antebrazo en sus movimientos, ni exoesqueletos de entrenamiento deportivo que permitan practicar movimientos para perfeccionar la ejecucion de los mismos.

La unica excepcion es la patente [20] de los mismos autores: Roque Saltaren y Jesus Varela. Este diseno abordaba el problema separando, mediante una estructura paralela, el exoesqueleto del brazo del exoesqueleto del cuerpo, para poder seguir el movimiento del hombro.

REFERENCIAS

[1] Patente EP1364755-B1. Trtulo: “Exoesqueleto para un brazo humano, Particularmente para aplicaciones espaciales.” Publication BOPI (OEMP):

ES2334780-T3. Autores: Andre Schiele; Gianfranco Visentin.

[2] Patent Number US 5,417,643. “Continuous passive motion exercise device” Inventor : Marc D. Taylor, Columbus, Ohio. Asignado a : Danninger Medical Technology, Inc, Columbus Ohio.

[3] “ARMin-Exoskeleton for Arm Therapy in Stroke Patients” Tobias Nef, Matjaz Mihelj, Gabriela Kiefer, Christina Perndl, Roland Muller, Robert Riener , member IEEE. University Zurich, Switzerland. 2007

[4] TSAI - OCT 2010] “An Articulated Rehabilitation Robot for Upper Limb Physiotherapy and Training. B.-C. Tsai, W.-W.Wang, L-C. Fu and J.-S. Lai National Taiwan University Hospital, National Taiwan University, Taiwan.

[5] Patent No: US 6,301,526 B1. “Master device having force reflection function”. Inventores: Mun Sang Kim, Soo Yong Lee, Chong won Lee del “Institute of Science and Technology, Seoul (KR)

[6] U.S. 5,845,540 “Robotic Manipulator” Inventor Mark E. Rosheim, St Paul, Minn. Por “Ross-Hime Designs, Incorporated, St. Paul, Minn.

[7] Patent Number US 7,862,524 B2 “Portable arm exoskeleton for shoulder rehabilitation”. Inventores: Craig R. Carignan, Michael Scott Liszka. Jan. 4, 2011.

[8] Patente U.S. 6,007,500 “Shoulder, rotator cuff, and elbow stretching machine”. Inventor John J. Quintinskie, Jr. 31025 5th Ave. South, Federal Way, Wash 98003.Dec. 28,1999.

[9] “Upper extremity exoskeleton structure and method”. Inventores: Vladimir Zemlyakov, Haverhill MA (US); Patrick McDonough, Kensington, NH (US). Jun. 26,2003

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[10] Solicitud de patente PCT/ES2009/070305 “Brazo robotico para el control del movimiento del brazo”. Inventores: Jose Maria Sabater Navarro, Eduardo Fernandez Jover, Nicolas Manuel Garcia Aracil, Jose Marla Azorln Poveda, Carlos Perez Vidal.11 marzo 2010.

[11] ReoTherapy ReoGo de Motorika. Producto comercial.

[12] “Development of the MACARM - a Novel Cable Robot for Upper Limb Neurorehabilitation”. David Mayhew, Benjamin Bachrach, W.Zev Rymer, and Randall F. Beer. Proceedings of the 2005 IEEE

[13] Solicitud de patente europea EP02075669 “Dispositivo de locomocion de la marcha”. Inventor: Amit Goffer por ARGO Medical Tech. 2002

[14] Solicitud de patente internacional PCT/CH2002/000255 “Dispositivo de reeducacion y/o entrenamiento de los miembros inferiores de la persona”. Inventores: Roland Brodard, Raymond Clavel por la Fondation Suisse por les Cybertheses.

[15] “Dispositivo ortesico dinamico para la monitorizacion, diagnostico y supresion de temblor patologico.” Inventores: Jose Luis Pons Rovira, Eduardo Rocon de Lima, Andre Ruiz Olaya, Ramon Ceres Ruiz, Leopoldo Calderon Estevez, Juan Manuel Belda - Lois, Javier Sanchez Lacuesta, Ricard Barbera Guillem, Jaime Prat Pastor. C.S.I.C. Instituto de biomecanica de Valencia.2008

[16] “Mecanismo de desplazamiento cartesiano con transmision unica y doble accionamiento”. Inventores: Jose Miguel Sanchez Soler, Miguel Angel Abad Martm- Camuas, Artemio Paya Vicens.2006.

[17] PAT US 2001/001,222“Dispositivo para el entrenamiento bilateral” Jill Whitall, Sandy McCombe-Waller, David Grant.

[18] PAT US 2006/0,194,677 “Bilateral arm trainer and method of use”. Jill Whitall, Sandy McCombe-Waller, David Grant. Continuacion de la solicitud del 2002 PCT/US01/001222

[19] “Design and Control of RUPERT: A device for Robotic Upper Extremity Repetitive Therapy”. Thomas G. Sugar, Jiping He, Edward J. Koeneman, James B. Koeneman, Richard Herman, H. Huang, Robert S. Shultz, D.E.Herring, J. Wanberg, Sivakumar Balasubramanian, Pete Swenson, Jeffrey A. Ward. IEEE Transactions on neural systems and rehabilitation engineering vol 15. N-3 Sept 2007.

[20] Roque Saltaren y Jesus Varela: “Exoesqueleto robotizado vestible para brazo humano” patente numero: P201131435

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DESCRIPCION DE LA INVENCION

La presente invencion se refiere a un exoesqueleto robotizado con una estructura de soporte con codo deslizante que le permite seguir el complejo movimiento del hombro, y ser capaz de acompanar los movimientos del brazo y antebrazo envolviendolos y auto-ajustandose durante el movimiento. El sistema ofrece una union rlgida entre brazo y cuerpo, lo que hace posible disponer de un sistema de soporte lo bastante solido como para permitir un gran aporte de fuerza. El exoesqueleto se coloca superpuesto sobre el tronco humano y los brazos y puede ser utilizado de manera habitual para aportar fuerza al usuario o para aplicaciones especificas de rehabilitation, ensenanza de alguna actividad, o usos militares.

La presente invencion resuelve los problemas del estado del arte anteriormente enumerados mediante una estructura de componentes deslizantes que tiene en cuenta los grados de libertad de giro del hombro y los adicionales debidos al desplazamiento del punto de giro del hombro en las tres dimensiones del espacio (plano frontal, sagital y transversal).

Ademas resuelve los desplazamientos del punto de apoyo del codo respecto a la estructura que soporta el peso del brazo y su carga. Al elevar el brazo se observa que el codo humano se va alejando gradualmente, aunque no de forma lineal, de cualquier estructura paralela al brazo que este unida al cuerpo e intente seguir su movimiento. La diferencia en el seguimiento del codo es mas notable si la estructura se encuentra por debajo o por encima del brazo, pero tambien ocurre si se situa a la misma altura que este. Si una estructura rodease el brazo y el codo del usuario, este intentarla atravesar la armadura en las posiciones mas elevadas, danandose el brazo o la armadura o limitando notablemente el movimiento realizable.

Para conseguir una envoltura tipo armadura, se propone envolver el brazo y antebrazo en la mencionada armadura sin unirla al cuerpo por la zona del hombro y montarla sobre algun tipo de gula deslizante que estarla situada debajo del brazo y unida al tronco. El brazo se desliza sobre los ralles libremente durante las variaciones de position, sin riesgo de atravesar la armadura por el codo y, al mismo tiempo, la gula puede ser soportada en cualquier posicion por una estructura solida y resistente unida

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al cuerpo que es facil de mover externamente e incorpora los grados de libertad adicionales necesarios. No se conoce ningun exoesqueleto que aborde este problema.

La existencia del codo deslizante y la estructura de soporte simplifican el control, pues la cinematica de las dos partes es facilmente relacionable. Un unico grado de libertad liga esas las dos estructuras y es facilmente medible o calculable.

Las principales aportaciones del presente diseno respecto de los documentos descritos anteriormente son:

- disponer de una “estructura de soporte” sobre la que se puede apoyar firmemente el brazo permitiendo la aplicacion de grandes fuerzas sobre el mismo, ganando en velocidad, potencia y control del conjunto, sin que el brazo del usuario sufra tensiones.

- disponer de un sistema de “codo-deslizante” que ademas de incorporar al conjunto la estructura de soporte permite hacer el seguimiento del brazo y el antebrazo. Se hace seguimiento del codo en sus desplazamientos respecto a la estructura de soporte durante las elevaciones y descensos y durante los avances o retrocesos del brazo.

- Aportar, debido a su diseno, en lo relativo al area de trabajo o recorrido realizable, especialmente sobre el plano horizontal (mayor avance). Proporcionado por la estructura de soporte deslizante y el sistema de bisagra desplazada, que alargan el alcance de los actuadores de elevacion y avance, al tiempo que evitan la colision de elementos con el cuerpo.

El sistema es aplicable en la asistencia a personas con limitaciones motoras, en funciones de rehabilitation de las extremidades o ayuda al movimiento de estas. Es aplicable tambien en actividades de tipo general que requieran control y coordination de movimientos tales como: entrenamiento deportivo (tenis, ping-pong,...), entrenamientos de tipo medico quirurgico (ensenanza de cirugla, aplicaciones de laparoscopia, etc.), manipulaciones especializadas en control de navegacion, caracterizadas por la capacidad del dispositivo de reproducir movimientos prefijados o controlados por un asistente mediante operacion directa o remota y en aplicaciones de asistencia en fuerza y protection del cuerpo (militares, bomberos, polida,...).

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El exoesqueleto objeto de la presente invencion dispone de importantes caracterlsticas tecnicas, que permiten solucionar distintos problemas, aportando las siguientes ventajas respecto a otros modelos:

- Seguimiento correcto del hombro: Seguimiento correcto de los desplazamientos y giros del hombro en el espacio respecto al tronco del cuerpo humano (6 grados de libertad) evitando asl dolor y molestias al usuario. Proporciona los 3 grados de libertad correspondientes a la orientacion o giro del brazo en el espacio mediante suma consecutiva de ejes de giro. Los tres grados de libertad adicionales, debidos a los desplazamientos del hombro en los planos frontal, transversal y sagital, son proporcionados por la estructura deslizante del costado que permite la elevacion del hombro, y por la estructura deslizante del brazo que permite un movimiento radial del brazo adaptable a cada posicion. Se consigue asl seguir el movimiento del hombro en el espacio sin forzarlo.

- Seguimiento del codo: Seguimiento del codo en sus movimientos sobre la estructura de soporte proporcionado por la union deslizante radial que se mueve sobre la mencionada estructura de soporte que porta los elementos de articulacion del codo y rotacion del hombro. Cuando se situa una estructura de soporte bajo el brazo y unida al tronco lo normal es que el brazo se vaya deslizando hacia afuera respecto al soporte, a medida que lo elevamos. Si se incorporan los elementos de articulacion del codo al extremo del soporte del brazo, como hacen todos los demas exoesqueletos, el codo solo encaja con la articulacion del exoesqueleto para una unica posicion de elevacion del brazo. En todas las demas posturas no encajarla y no servirla para articular el codo, o no permitirla envolver el antebrazo. En la mayorla de los robots de asistencia en fuerza, este problema se ignora. El exoesqueleto del brazo es una estructura de soporte con articulaciones rlgidas que no acompanan los movimientos del hombro y del codo. De este modo, el exoesqueleto se encuentra siempre cerca del brazo, pero no se mueve en paralelo a este ni puede envolverlo o servir de apoyo y proteccion en todas las posturas. En el presente diseno, los elementos que proporcionan la flexion-extension del codo y la rotacion del hombro (brazo) se incorporan sobre una estructura movil que acompana al codo en todo momento durante sus desplazamientos, a la que denominamos "codo deslizante auto-ajustable”.

- Apoyo del brazo: El brazo humano se apoya con comodidad sobre un soporte con el

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que no hay friccion pues acompana sus movimientos de avance y retroceso respecto a la estructura de soporte proporcionado por el sistema deslizante y la estructura de soporte.

- Gran area de trabajo util: Por su diseno, permite el funcionamiento manteniendo una gran area de trabajo util. Otros mecanismos del estado del arte limitan el area de trabajo real por el tamano de sus motores, o por sus estructuras, que colisionan en ciertas posturas o por los mecanismos complejos que circundan el brazo o por la dificultad de mantener la fuerza de traccion en todas las posiciones sin anadir actuadores adicionales. Proporcionado por la especial configuracion de la estructura de soporte.

- Exoesqueleto: Al tratarse la invencion de un exoesqueleto, aporta movilidad al usuario, permitiendole moverse con libertad por entornos diversos (hacer el tratamiento en casa, entrenar en cualquier sitio, recibir asistencia a un brazo impedido en la calle, uso por bomberos en incendios o rescates, etc,...).

- Ligereza o reduccion de peso y volumen: Evita que el usuario cargue peso en el brazo y le permite moverse con libertad por entornos humanos. Proporcionado por los pequenos actuadores y la estructura deslizante de soporte que carga con los motores, con el brazo y con la carga y se ajusta al movimiento de este ocupando muy poco espacio adicional. Todo contribuye a su uso en entornos humanos como las edificaciones o las calles.

- Sencillez y bajo coste: Emplea pocos elementos que ademas son sencillos y ligeros. Evita sistemas complicados de pretensado y sistemas de multiples poleas de guiado o mantenimiento de tension en los cables. Evita ademas sistemas de seguimiento del hombro basados en multiples grados de libertad o en grandes y pesadas piezas rlgidas que requieren precision y ausencia de holguras que encarecen el sistema. No se necesita titanio o materiales caros para su construction eficaz. Se puede hacer con materiales de uso corriente.

- Facilidad de programacion de movimientos: Intuitivo para medicos, terapeutas, entrenadores y usuarios. Proporcionado por una chaqueta de chandal con dos "Unidades Inerciales” que el medico, terapeuta o entrenador se puede vestir y registra

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el movimiento que este realiza con su propio brazo. Las medidas se registran y tras un filtrado se pueden entregar al exoesqueleto para su ejecucion.

- Versatilidad: Proporcionado por una tarjeta de entradas salidas tipo computador programable que permite una sencilla reprogramacion para multiples y diferentes movimientos y comportamientos.

- Comodidad, ajuste al cuerpo: Proporcionado por acolchamientos, zonas de sujecion amplias y puntos de apoyo separados del soporte del brazo, rlgidos y amplios que soportan las presiones sin transmitir esfuerzos al cuerpo. Los esfuerzos se distribuyen en amplias zonas mejorando su confort.

- Reduccion del consumo, aumento de la autonomla: Por usar motores de menor potencia, el consumo de energla es menor.

Estructuralmente, el exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable comprende:

- un arnes o estructura de tipo chaleco que se coloca sobre el tronco del usuario del exoesqueleto y sirve de base de apoyo y referencia para el resto del sistema.

- un exo-brazo encargado de soportar, y opcionalmente proteger, el brazo del usuario.

- una estructura de soporte para el exo-brazo encargada de sostener y situar el exo- brazo y el brazo del usuario en la posicion y orientacion deseadas.

- un exo-antebrazo, unido al exo-brazo mediante la estructura de codo deslizante y encargado de soportar, y opcionalmente proteger, el antebrazo del usuario;

- una exo-muneca, opcional, para soportar la muneca del usuario y permitir su giro o el envlo de ordenes segun la aplicacion;

- una estructura de codo deslizante unida al exo-brazo para permitir los movimientos de rotacion del hombro y flexion-extension del codo, y para asegurar un buen ajuste del antebrazo al exo-antebrazo;

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- una pluralidad de actuadores de potencia para actuar las articulaciones y partes deslizantes activas del exoesqueleto. Los actuadores pueden ser motores electricos, cilindros neumaticos o hidraulicos o cualquier otro medio de actuacion;

- medios portadores para ser portados por el usuario y encargados de soportar los actuadores de potencia, la electronica;

En una realization preferida, la estructura de soporte, para el exo-brazo y el codo deslizante, comprende al menos los siguientes elementos:

- una "base de apoyo fija” que ira unida al arnes y servira de punto de apoyo a toda la estructura de soporte del exo-brazo.

- una "base de apoyo movil” que ira unida a la "base de apoyo fija” anterior mediante algun elemento de tipo bisagra que aporte al menos un grado de libertad en la union, permitiendo su rotation respecto a un eje vertical situado en la union de ambas bases. Esto permitira el avance y retroceso del brazo.

- una "base de apoyo deslizante vertical” que ira unida, mediante una mesa deslizante u otro elemento de este tipo, a una guia fijada a la "base de apoyo movil”, permitiendo la elevation del conjunto subsiguiente respecto a las estructuras anteriores. Aporta un grado de libertad de elevacion o descenso del eje de giro del hombro.

- una "base de apoyo deslizante radial” que ira unida mediante una bisagra o similar a la "base de apoyo deslizante vertical”, permitiendo disponer para el exo-brazo de una superficie de apoyo a la que estara unido mediante una mesa deslizante que se movera por una guia fijada a la "base de apoyo deslizante radial”. Aporta un grado de libertad de giro en la bisagra y otro de desplazamiento radial, esto es, en casi cualquier direction para el exo-brazo y el brazo del usuario. En la practica este elemento al combinarse con los anteriores permite al brazo los 3 grados de libertad de giro mas los 3 grados de libertad de desplazamiento del hombro. Al ir unidos la articulation del codo y el exo-brazo y ambos deslizar sobre esta estructura se consiguen los grados de libertad deseados.

- algunas gulas con mesa deslizante que serviran de union entre piezas para aportar

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un grado de libertad de desplazamiento lineal donde sea necesario. Se han mencionado ya la union entre base movil y base deslizante vertical y la union entre base deslizante radial y el exo-brazo.

- la exo-muneca esta preferiblemente formada por un asidero de forma cillndrica anclado a una "base deslizante de antebrazo” que se desliza respecto a la estructura del antebrazo por el mecanismo de mesa deslizante y gula ya explicado, para ajustarse a la longitud de antebrazo requerida en cada postura y a la morfologla del usuario.

Otra variante de exo-muneca preferida estarla formada por un asidero cillndrico unido a un semi-anillo, que se sujetana a la mencionada "base deslizante de antebrazo mediante cualquier mecanismo de rodamientos que permita al anillo y asidero rotar haciendo el juego de la muneca.

Tanto el exo-antebrazo como el exo-brazo comprenden preferentemente algun tipo de envoltura, con el fin de mantener el brazo del usuario protegido y acomodado. No es imprescindible que lo sujete. Su forma, modo de cerramiento y sujecion dependera de la aplicacion que se le vaya a dar al exoesqueleto. Llevara unos acolchamientos y unas fijaciones para sujetar el conjunto y distribuir la presion por todo el brazo.

La rotacion del brazo en el hombro se puede conseguir mediante un actuador situado en el codo-deslizante. La rotacion de la muneca se puede conseguir mediante un actuador situado en el exo-antebrazo. La rotacion del codo se puede conseguir mediante un actuador situado en el codo-deslizante.

La articulacion del codo comprende preferentemente:

- dos piezas moviles con un eje de giro comun, la primera pieza movil formara parte del exo-antebrazo y la segunda pieza movil del exo-brazo;

- unos topes para evitar que el codo pueda girar hacia atras mas alla de una posicion llmite;

- un actuador o una fijacion para inmovilizar dicha articulacion en ciertos usos.

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El exoesqueleto puede comprender:

- diversos "encoder” ubicados en las articulaciones rotacionales para determinar el angulo que relaciona la posicion de la primera pieza movil respecto a la segunda pieza movil;

- diversos sensores de desplazamiento lineal para ubicar en puntos en donde hay un grado de libertad de desplazamiento actuado o no.

- una diversidad de sensores inerciales en el exo-brazo y exo-antebrazo para determinar su orientacion;

Los medios portadores comprenden preferiblemente un chaleco, y pueden comprender adicionalmente una mochila o bolsa para ocultar electronica y actuadores.

Los actuadores de potencia se pueden seleccionar de entre los siguientes: actuadores lineales, actuadores rotacionales o una combination de los anteriores. En una realization preferida, los actuadores de potencia lineales ejercen su traction sobre el punto que se desea desplazar.

El exoesqueleto puede disponer de medios de almacenamiento de datos, medios de entrada para selection de un modo de funcionamiento del exoesqueleto y de una unidad de control configurada para, en funcion de dicha seleccion, seleccionar uno de los siguientes modos de funcionamiento del exoesqueleto:

- modo de grabacion de trayectorias, para registrar los movimientos realizados por el exoesqueleto en los medios de almacenamiento de datos;

- modo de seguimiento de trayectoria grabada, para seleccionar una trayectoria deseada, previamente grabada en los medios de almacenamiento de datos, y repetir dicha trayectoria de manera automatica o permitir que el usuario intente seguirla y corregirle cuando se salga de ella;

- modo de seguimiento de sensores externos, para permitir el control del movimiento del exoesqueleto a traves de los sensores externos.

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- modo de ejercicios: en los que el exoesqueleto responde a estimulos provocados por su usuario y reacciona moviendose de determinada manera. Por ejemplo, ejercicios medicos para ganar arco de movimiento en los que el usuario debe hacer el esfuerzo inicial y el exoesqueleto le ayudara a continuarlo.

DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripcion que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracterlsticas del invento, se acompana la presente memoria descriptiva, formando parte integrante de la misma, un juego de dibujos en donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1: Vista frontal general del exoesqueleto.

Figura 2: Vista posterior del exoesqueleto.

Figura 3: Detalle de la estructura de codo deslizante (vista superior)

Figura 4: Detalle de la estructura de codo deslizante (vista inferior)

Figura 5: Conjunto de exo-brazo y exo-antebrazo (exo-muneca sencilla).

Figura 6: Detalle de la estructura de soporte (vista anterior)

Figura 7: Detalle del exo-antebrazo y exo-muneca rotacional.

Figura 8: Exoesqueleto en version electrica con muneca rotacional (frontal)

Figura 9: Exoesqueleto en version electrica con muneca rotacional (posterior)

Figura 10: Disposition de sensores

Figura 11: Exoesqueleto colocado sobre el cuerpo

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REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION

El exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable, tiene una configuration y apariencia similar a una prenda de vestir, con el proposito de que se adapte de manera natural y ergonomica a las posturas y movimiento de la persona que lo utiliza, de manera que sirva para dotar a la persona de un complemento de fuerza, ayuda al movimiento y protection si fuera necesario. El conjunto de la invention esta compuesto por unas partes claramente diferenciables y funcionales, mostradas en las Figuras 1,2 y 11, que se relacionan a continuation:

- Un arnes o chaleco (1) debidamente almohadillado que se viste sobre el cuerpo (ver figura 11), cuya funcionalidad es la de servir de base a la electronica de control (12) y potencia (9), fuente de alimentation (11), asl como a la estructura de soporte (2,3,4 y 5) de los exo-brazos (8) y exo- antebrazos (7) articulados robotizados.

- Un sistema de eslabones articulados motorizados, formando los propios exo- brazos (8) y exo-antebrazos (7), por ser calzados sobre el exterior del brazo(s) y antebrazo(s) humanos, con sujeciones (32) y (50) convenientemente localizadas sobre cada articulation del brazo del usuario y que sirven para transmitir la fuerza del mecanismo robotico que ayuda al movimiento.

- Una estructura de soporte (2,3,4,5) para exo-brazos (8), exo-antebrazos (7) y codo deslizante autoajustable (6) que sirve como solido punto de apoyo al conjunto del brazo al tiempo que le permite la movilidad en todas las direcciones y orientaciones que necesita.

- Un conjunto de accionamientos de potencia, formado por actuadores (9) y elementos de transmision de potencia (16) y puntos de anclaje (17) necesarios para realizar los movimientos.

- Un sistema de alimentacion de energla autonomo (11), que puede ser alimentado tambien por conexion a la red electrica.

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- Un sistema o electronica de control (12) de potencia y del movimiento basado en computador, en el que residen los algoritmos que implementan procedimientos adecuados al tipo de usuario y actividad que debe realizar.

- Un conjunto de sensores (64 a 73), representados en la figura 10, que permiten obtener information sobre el estado (position y movimiento) del exoesqueleto y actuar sobre el mismo. Esto incluye potenciometros (64 a70) y (73) y los sensores inerciales de tipo IMU (71) y (72) entre otros.

El arnes o chaleco (1), esta constituido por unas capas de material flexible y ligero para la protection del cuerpo, recubierto por una capa plastica (76), (figura 11) que aporta rigidez, sirviendo de apoyo al resto de la estructura y evitando que el chaleco se desplace respecto al cuerpo del usuario. Podrla llevar superpuesto cualquier tejido exterior, que proporcione una apariencia agradable o proteccion (termica, antibalas,...). Las partes rigidas junto con el almohadillado contribuyen a distribuir los esfuerzos o fuerzas puntuales sobre una superficie y hacen que el usuario no note practicamente las presiones provocadas por el movimiento del exo-brazo (8) y exo- antebrazo (7). Tambien incluye tirantes (74), (figura 11) con elementos de abroche (75), (figura 11) que ayudan a ajustarlo y sujetarlo al cuerpo.

La estructura de soporte mostrada en la figura 6, esta compuesta por los siguientes elementos:

- Una estructura fija (2) conformada de manera que disponga de una superficie plana con orificios que permiten fijar esta pieza al chaleco (1), ajustandolo a diferentes medidas corporales. Ademas dispone de unas aletas (61) dispuestas hacia la parte posterior del cuerpo que permiten anclar a ellas equipos auxiliares como la fuente de alimentation (11) o la electronica de control(12). Hacia la zona anterior dispone de unas aletas pequenas (62), que pueden estar orientadas perpendicularmente a la zona principal o no, que permiten fijar unas bisagras (10) que uniran la estructura de soporte (2) a la siguiente, la estructura movil (3). Si se disponen perpendicularmente se gana espacio para ubicar un actuador (9) y facilita alcanzar posiciones de brazo atrasadas y adelantadas mas acordes con el rango real de movimiento de la articulation.

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- La estructura movil (3) es esencialmente una chapa plana que se fija a la estructura fija (2) mediante las bisagras (10) aportando movilidad de giro segun un eje vertical, lo que permitira el movimiento de avance y retroceso del brazo. Este eje de giro se actua mediante un actuador (9) que va fijado a la estructura fija (2), mediante una escuadra (51). El actuador mueve los medios de transmision de potencia (45) y (46). Este ultimo tiene forma de pinza y las medidas precisas para sujetar la plataforma movil (3) desplazandola cuando es necesario.

- Una estructura deslizante vertical (4) en funciones de plataforma va unida a la estructura movil (3) mediante un sistema de mesa deslizante (33), (figura 3) y la gula (52), (figura 6) que le confiere la posibilidad de moverse paralelamente a la estrutura movil (3) en direccion vertical, proporcionando el ajuste a la posicion del hombro, siguiendo su evolucion durante el movimiento. Para conseguir este ajuste se podrla dejar libre en algunas aplicaciones con pacientes sanos, pero en general sera necesario actuarla. Tal es el caso en pacientes de rehabilitation o aplicaciones en las que se prevea soportar cargas importantes (militares, bomberos,...). Para actuarla se ha empleado un actuador (9) y un sistema de transmision de potencia compuesto por:

o un tornillo sin fin (22) ,

o un acoplamiento (18) entre ejes que une el actuador (9) al tornillo sin fin(22),

o un conjunto de apoyo (44) formado por una escuadra anclada a la estructura movil (3) y un rodamiento, que soportan el peso de la carga evitando que lo haga el acoplamiento (18).

o un conjunto de presion de tuerca (43) similar al formado por la escuadra (25), el soporte de la tuerca (24) con su tuerca y el tope (23) que evita que la tuerca se salga del conjunto. Este conjunto desliza por la rosca del tornillo sin fin (22) a medida que el actuador (9) lo hace girar. Al estar unido a la estructura deslizante vertical (4), moviendose esta respecto a la estructura fija (3).

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- Una estructura superior (5), unida a la estructura deslizante vertical (4) mediante una bisagra (10) que permite el giro entre ambas segun un eje horizontal orientable. Este eje se actua mediante un actuador (9) y un sistema de transmision de potencia, similar al explicado anteriormente, que se une a las estructuras superior (5) y movil (3) mediante puntos de anclaje (17) por ambos extremos, y que esta compuesto por: un acoplamiento de ejes (18), un tornillo sin fin (22), un conjunto de soporte (19,20,21), un conjunto de presion de tuerca (23),(24),(25), una gula (48), una mesa deslizante (33), (figura 3) y una estructura deslizante (49).

El movimiento resultante, de esta parte, es una combinacion de giro de la estructura a superior (5), en torno a un eje horizontal, orientable segun un eje vertical, y desplazable en altura, respecto a la estructura fija (2).

Sobre la estructura superior (5) se fija una gula (29) sobre la que se mueve una mesa deslizante (33), (figura 3), sobre la que ira anclada la plataforma deslizante radial (31), (figura 3) que se explica a continuation y que completa las posibilidades de giro, desplazamientos y orientation del conjunto.

El brazo exo-esqueletico, formado por (6), (7) y (8) es un conjunto que se acopla sobre el brazo del usuario fijandolo al mismo y haciendo coincidir las articulaciones equivalentes de ambos (muneca, codo, hombro). El brazo exo-esqueletico, mostrado en las figuras 5, 4, 3 y 7 esta formado por varios elementos:

- La plataforma deslizante radial (31) es la base del Exo-Brazo (8) y se puede ver en la figura 3. Esta plataforma se desliza sobre la gula (29) unida a la estructura de soporte formada por (2),(3),(4) y (5) y en combinacion con ella aporta todos los grados de libertad necesarios. Se podrla automatizar su movimiento en combinacion con los movimientos del resto de articulaciones y grados de libertad, pero se puede dejar libre, si el brazo o el antebrazo del usuario esta debidamente fijado a la correspondiente parte de exoesqueleto. Este grado de libertad absorbera los desplazamientos del hombro y del brazo. Sobre esta plataforma van acoplados numerosos elementos, que se desplazan solidariamente con ella al mover el brazo.

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- El exo-antebrazo (7) es un conjunto de piezas que se acopla al antebrazo del usuario y se compone esencialmente de un soporte plano (51), (figura 7) sobre el que se instala una gula (33) con su mesa deslizante (33’), (figura 3) a la que se acoplan diversos elementos que podemos apreciar en las figuras 5 y 7:

o El soporte almohadillado de sujecion (50) para el antebrazo (figura 7) o algun otro medio de sujecion del antebrazo.

o algun elemento de tipo “empunadura” o “exo-muneca” (59), (figura 7), “asidero para la mano” (13) (figura 1).

o La razon de que estos elementos deslicen sobre el exo-antebrazo es no solo adaptarse a diferentes longitudes del miembro sino permitir su acomodo dependiendo de las diferentes posturas que puede adoptar el codo y posibles desplazamientos del brazo respecto al exo-brazo.

- El Exo-brazo (8) es el conjunto formado por la plataforma deslizante (31) y un simple soporte de brazo almohadillado (32), aunque podrla ser una estructura mas compleja con posibilidad de fijar y sujetar bien el brazo.

- El exo-codo (6) es una pieza unida a la plataforma deslizante radial (31) mediante una bisagra (10) que permite el movimiento de flexion extension del codo segun un eje horizontal. Este grado de libertad serla insuficiente si no estuviera combinado con el de giro del exo-antebrazo (7) respecto a esta estructura, mediante la polea (36) y el rodamiento (34), sujeto a la plataforma (35) mediante unas chapas (41) por ambos lados. Estos dos giros del exo- antebrazo y exo-codo permiten una movilidad completa del antebrazo en cualquier posicion del brazo y ademas la rotacion del hombro.

- Hay muchas soluciones para actuar la articulacion del exo-codo (6) respecto al exo-brazo (8), o mas en concreto, la plataforma (35) respecto a la plataforma deslizante radial (31), pero una solucion preferida, que podemos apreciar en la figura 3, consiste en un actuador (9) que se fija a la plataforma deslizante radial (31) mediante una escuadra (47). El motor se une a un tornillo sin fin (22) mediante un acoplamiento de ejes (18). Un tope formado por la escuadra (21),

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el rodamiento (20) y la fijacion (19) que forman el conjunto de soportes (19,20,21) ya comentados, impide que el acoplamiento (18) sufra estiramientos y tensiones. Sobre la pieza (31) hay una gula (30) con su correspondiente mesa deslizante a la que va fijada una plataforma (14) que sustenta:

o el elemento de presion de tuerca formado por una escuadra, un soporte de tuerca y su tuerca (23),(24) y (25) con el tope que impide que la tuerca se salga.

o El elemento de transmision de potencia (26) que gracias a una ranura (27) en forma de arco o de curva formada por segmentos, transmite la fuerza de la manera mas conveniente en cada posible angulo de elevacion del antebrazo. Es destacable que el conjunto de transmision de potencia esta dispuesto de modo que no tropieza con la gula (29) en ninguna posicion del antebrazo y de la plataforma deslizante radial (31). La electronica de actuation (38) tambien acompana al conjunto en sus desplazamientos.

- El elemento de transmision de potencia (28) va fijado al exo-codo deslizante (35) y conecta con el anterior elemento de transmision de potencia (26) mediante un vastago (39) que desliza por la ranura (27). Este elemento (28) puede soportar la electronica de control (38) y esta dispuesto de modo que no colisiona con las gulas (29) en su movimiento.

- Para actuar el exo-antebrazo respecto al exo-codo una solution posible es mediante un actuador (9) emplazado en el exo-codo que mediante una polea (37) una correa dentada ("timing belt”) (77) mueve a la polea dentada (36) situada bajo el exo-antebrazo (7). La polea (36) mueve un sensor que informa de la posicion del antebrazo. Otra option serla poner un tope de contacto para cierta posicion de reposo y emplear el encoder del motor para conocer la situacion del exo-antebrazo.

La compensacion de gravedad se consigue de forma mecanica debido al sistema de tornillos sin fin (22) que practicamente no requieren fuerza para mantener una posicion dada.

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El sistema de control (12) por computador controla la ejecucion de los movimientos mediante algoritmos adaptados a la aplicacion que se le de:

- Rehabilitation: algoritmos para ejecutar los movimientos indicados por el medico o terapeuta.

- Deporte: algoritmos para ejecutar movimientos de entrenamiento.

- Aprendizaje en cirugla: algoritmos para repetir los movimientos indicados por el profesor.

- Asistencia diaria: algoritmos para los movimientos de uso mas frecuente en la vida diaria.

- Asistencia de resistencia: algoritmos que permitan mantener una postura incomoda o agotadora durante largo tiempo con el mlnimo esfuerzo. Por ejemplo, en el trabajo de taller, cambiando piezas que requieren tener los brazos elevados largo tiempo, o estar tumbado bajo un coche haciendo fuerza con los brazos levantados.

- Aplicaciones militares o cuerpos de seguridad o bomberos: En esta aplicacion deberla haber un medio para indicar al algoritmo el tipo de movimiento que se desea hacer en cada instante, de forma intuitiva y natural. Un medio sencillo podrla ser mediante sensores emplazados en el asidero o empunadura (13) de la mano o rotaciones de la exo-muneca, mostrada en la figura 7, que marcarlan la intention de movimiento por presion o desplazamiento respectivamente. El algoritmo debera reaccionar en consecuencia accionando los motores.

Los algoritmos presentes en el computador pueden haber sido programados de muy diversas formas, que incluyen la programacion, la simulation, mediante un joystick, o sensores externos dispuestos de forma similar a la cinematica del cuerpo humano, etc.

Sobre el exo-esqueleto hay sensores inerciales (71) y (72) tipo IMU (ver figura 10) que informan de la position, velocidad y aceleracion del brazo y del antebrazo del usuario,

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asl como de su inclination y orientation. Ademas hay sensores que pueden ser "encoders” o potenciometros que permiten conocer la position y caracteristicas del movimiento de cada articulation o grado de libertad de deslizamiento del exo- esqueleto. Asl, el grado de avance se mide con el potenciometro (64), la elevation mediante el (66) y la flexion de codo entre el (68) y el (69). Este ultimo mide por otro lado la rotation del hombro. Tambien se incluyen sensores lineales como el que mide la elevation del hombro (65), o el que mide la elevation del brazo (67) o el que mide el avance de la plataforma deslizante radial respecto a su gula, el (73). El (70) mide la rotation de la muneca.

Ejemplo 1: Modo de realization con motores electricos

En la realization mediante cilindros neumaticos o hidraulicos, el montaje mecanico y los elementos de transmision de potencia se simplifican como se indica en las figuras 1 y 2. En una realization basada en motores electricos, como la mostrada en las figuras 8 y 9 la transmision de potencia es ligeramente mas complicada pero aporta la compensation de gravedad practicamente sin consumo.

Ejemplo 2: Modo de realization con 2 brazos

Este modo de realizacion puede servir para hacer ejercicios con los dos brazos en paralelo o en coordination de movimientos, por ejemplo para uso deportivo. La diferencia esencial es que se instalarlan dos exo-brazos y los actuadores necesarios para mover ambos brazos.

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   REIVINDICACIONES

   1a.- Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano, que comprende:

   - una empunadura con al menos un soporte semicircular (59) y un asidero o exo- muneca (13) para situar la mano y movilizar la muneca del usuario o permitir que esta ejerza control sobre el exoesqueleto;

   - un exo-antebrazo (7), unido a la exo-muneca y encargado de soportar el antebrazo del usuario;

   - un exo-brazo (8) encargado de soportar el brazo del usuario, unida al exo-antebrazo (7) mediante una articulacion movil (6) para permitir el giro del codo del usuario;

   - una union del exo-brazo (8) con una estructura de soporte deslizante (2,3,4,5) que permite el movimiento del brazo respecto al hombro y de este respecto al cuerpo;

   - una pluralidad de actuadores de potencia (9) para actuar los elementos del exoesqueleto;

   caracterizado por que comprende:

   - una estructura de soporte (2,3,4,5), que une el exo-brazo (8) al tronco permitiendo el deslizamiento del brazo sobre ella, encargada de proporcionar la movilidad del brazo y del hombro con respecto al tronco haciendo un seguimiento de los desplazamientos del hombro respecto al cuerpo, permitiendo un ajuste permanente del movimiento del codo respecto al cuerpo, que comprende al menos una estructura deslizante vertical (4) y una plataforma deslizante radial (31) sobre la que ira el sistema de articulacion del codo o exo-codo(35).

   2a.- Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano, segun la reivindicacion 1a, caracterizado por que incluye un sistema de compensation de gravedad que comprende al menos uno de los siguientes

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   elementos:

   - un tornillo sin fin (22) actuado que soporta el brazo apoyandose en la estructura de soporte del exo-brazo (8).

   - un amortiguador inferior que soporte el brazo apoyandose en la estructura de soporte del exo-brazo (8).

   3a.- Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la estructura de articulacion del codo se desplaza sobre la estructura de soporte y permite tener el antebrazo y codo del usuario permanentemente ajustado al exo- antebrazo (7) y exo-codo (35) del robot, independientemente de la posicion del hombro, brazo y codo.

   4a.- Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que tanto el exo-antebrazo (7) como el exo-brazo (8) comprenden, para mantener el brazo del usuario sujeto al exoesqueleto, una pieza de apoyo con forma de semicilindro hueco que deja facil acceso al brazo, unos acolchamientos que hacen comodo el espacio y unas fijaciones ajustables para sujetar el brazo o antebrazo.

   5a.- Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la rotacion del brazo en el hombro se efectua mediante un actuador situado en el codo- deslizante, que se desplaza con este sobre la estructura de soporte.

   6a.- Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la rotacion de la muneca se efectua mediante la empunadura (13) fijada sobre un semicilindro hueco o exo-muneca(59) cuyo actuador esta situado en el exo-antebrazo (7).

   7a.- Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la

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   flexion del codo se efectua mediante un actuador situado en el codo deslizante que se desplaza con el sobre la estructura de soporte.

   8a.- Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende una serie de sensores (64 a 73) que permiten conocer la posicion, velocidad y aceleracion de cada una de las partes del exo-esqueleto, pudiendo algunos de dichos sensores materializarse en "encoders” o potenciometros para medir el avance, la elevacion y la flexion del codo, asi como la rotacion del hombro, la elevacion del hombro, la elevacion del brazo, el avance de la plataforma deslizante radial respecto a su gula, la rotacion de la muneca y la orientacion del brazo y antebrazo.

   9a.- Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los medios portadores comprenden un chaleco (1).

   10a.- Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los actuadores de potencia (9) pueden ser lineales, rotacionales o una combinacion de los mismos.

   11a.- Exoesqueleto robotizado con soporte de codo deslizante autoajustable para brazo humano, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dispone de medios de almacenamiento de datos, medios de entrada para selection de un modo de funcionamiento del exoesqueleto y de una unidad de control configurada para, en funcion de dicha seleccion, seleccionar uno de los siguientes modos de funcionamiento del exoesqueleto:

   - modo de grabacion de trayectorias, para registrar los movimientos realizados por el exoesqueleto en los medios de almacenamiento de datos;

   - modo de seguimiento de trayectoria grabada, para seleccionar una trayectoria deseada, previamente grabada en los medios de almacenamiento de datos, y repetir

   dicha trayectoria de manera automatica o permitir que el usuario intente seguirla y corregirle cuando se salga de ella;

   - modo de seguimiento de sensores externos, para permitir el control del movimiento 5 del exoesqueleto a traves de los sensores externos. Los sensores externos pueden ser manejados por el propio usuario en aplicaciones de asistencia en fuerza o por un tutor o medico que gula los movimientos del alumno o paciente respectivamente.