ES2555302T3 - Plataforma móvil holonómica elástica en serie para la rehabilitación de las extremidades superiores - Google Patents

Abstract

Una plataforma móvil holonómica elástica en serie para la administración en el hogar de ejercicios de rehabilitación física terapéuticos de sobremesa para pacientes y la evaluación del rendimiento del paciente durante estos ejercicios, proporcionándose dicha plataforma móvil como una plataforma móvil de múltiples grados de libertad (DoF) que comprende un mecanismo compatible con múltiples DoF y una unidad de control en la que dicha plataforma móvil de múltiples DoF comprende al menos tres ruedas Mecanum accionadas y dicho mecanismo compatible con múltiples DoF se proporciona como una unidad de detección de fuerza en forma de un elemento elástico plano compatible con múltiples DoF en serie, en la que dicho mecanismo compatible opera de tal manera que las fuerzas en el plano y la torsión que actúan se determinan midiendo la deflexión de dicho mecanismo compatible por medio de sensores de posición, con lo cual la plataforma holonómica activa que no se puede accionar de manera inversa opera como un actuador elástico de múltiples DoF en serie, caracterizada porque dicha plataforma móvil está asociada con al menos un mecanismo 3-DoF plano paralelo compatible, acoplado a un robot móvil omnidireccional con ruedas Mecanum.

Description

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DESCRIPCION

Plataforma movil holonomica elastica en serie para la rehabilitacion de las extremidades superiores

Las lesiones neurologicas son las causas principales de discapacidades a largo plazo que restringen las funciones diarias de millones de pacientes. La terapia de rehabilitacion ffsica es indispensable para el tratamiento de las discapacidades neurologicas. Las terapias de rehabilitacion han demostrado ser mas eficaces cuando son repetitivas, intensas, a largo plazo y de tareas espedficas. Sin embargo, la administracion manual de este tipo de terapias es costoso debido a la carga ffsica y la mano de obra involucrada.

La utilizacion de dispositivos roboticos para el suministro de los ejercicios de rehabilitacion repetitivos y ffsicamente involucrados no solo elimina la carga ffsica de la terapia de movimiento por los terapeutas, sino que puede motivar a los pacientes para soportar intensas sesiones de terapia gracias a la integracion de multiples modalidades, reduciendo al mismo tiempo los costes del tratamiento. Los dispositivos de rehabilitacion asistidos por robot aumentan la fiabilidad y exactitud del tratamiento, mientras que tambien proporcionan mediciones cuantitativas para seguir el progreso del paciente. Los ensayos clmicos que investigan la eficacia de la rehabilitacion robotica proporcionan evidencia de que la terapia robotica es eficaz para la recuperacion motora y posee un gran potencial para mejorar la independencia funcional de los pacientes.

Los dispositivos de rehabilitacion activos pueden ser aplicados a pacientes con todos los niveles de deterioro para proporcionar protocolos de tratamiento interactivos personalizados. En particular, estos dispositivos permiten la participacion activa de los pacientes, ayudando a los pacientes solo segun sea necesario y hacen facil la sintonizacion de la duracion y la intensidad de las terapias viables. Por otra parte, robots de rehabilitacion de bajo coste y portatiles se pueden emplear para la terapia basada en casa, y mantienen la promesa de aumentar la accesibilidad de la terapia ffsica, al tiempo que permite la administracion de ejercicios seguros y precisos. La presente invencion presenta una plataforma de bajo coste, activa, movil de forma omnidireccional para la administracion en el hogar de ejercicios de rehabilitacion ffsica terapeuticas de sobremesa a los pacientes que han sufrido lesiones que afectan a la funcion de sus extremidades superiores.

Los robots disenados para la rehabilitacion del miembro superior pueden ser vagamente categorizados como dispositivos de tipo exoesqueleto y efectores terminales. Robots de tipo exoesqueleto se corresponden con las articulaciones humanas; por lo tanto, son eficaces en la prestacion de terapias articulares espedficas. En particular, los exoesqueletos son capaces de aplicar pares controlados a las articulaciones individuales y de medir los movimientos de las articulaciones espedficas desacopladas de los movimientos de otras articulaciones. Muchas implementaciones exitosas de robots de rehabilitacion del miembro superior de tipo exoesqueleto se han desarrollado en la literatura. A pesar de las ventajas de los robots de tipo exoesqueleto, la utilizacion basada en casa de estos dispositivos no es muy factible, ya que, debido a la complejidad mecanica inherente en sus disenos, los robots exoesqueleto son ffpicamente muy caros.

Los robots de rehabilitacion de tipo efector de extremo no se corresponden con las articulaciones humanas, pero administran movimientos terapeuticos controlados en el efector de extremo del dispositivo, donde se une la extremidad humana. Por lo tanto, sin restricciones externas sobre las articulaciones, las terapias espedficas conjuntas no son alcanzables con tales mecanismos. Sin embargo, los robots de tipo efector de extremo son ventajosos gracias a su estructura cinematica relativamente mas simple y de menor coste. Por otra parte, varios de estos dispositivos son portatiles y adecuados para uso en el hogar. Con respecto a su portabilidad, los robots de rehabilitacion de tipo efector terminal se pueden clasificar adicionalmente en robots de base fija y dispositivos moviles. Un ejemplo bien conocido de los robots de base fija es el MIT-Manus (H. Krebs, M. Ferraro, S. Buerger, M. Newbery, A. Makiyama, M. Sandmann, D. Lynch, B. Volpe, y N. Hogan, "Rehabilitation robotics: pilot trial of a spatial extension for MIT-Manus", Journal of Neuro Engineering and Rehabilitation, vol. 1, no.5, 2004). MIT-Manus es un robot de tipo impedancia que posee dos motores de accionamiento directo anclados para proporcionar pares para ayudar o resistir los movimientos del paciente. Otro ejemplo de dispositivos de base fija es Gentle/S (R. Loureiro y W. Harwin, "Robot aided therapy: Challenges ahead for upper limb stroke rehabilitation", en International Conference on Disability, Virtual Reality and Associated Technologies, 2004), que utiliza un robot de tipo admitancia (P. Lammertse, E. Frederiksen, y B. Ruiter, "The hapticmaster, a new high-performance haptic interface", en Eurohaptics, 2002) junto con un mecanismo de cardan para conectar a la muneca humana. Reha-Slide es otro dispositivo base fija que esta disenado para administrar terapias de movimiento resistivo (S. Hesse, H. Schmidt, C. Werner, C. Rybski, U. Puzich, y A. Bardeleben, "A new mechanical arm trainer to intensify the upper limb rehabilitation of severely affected patients after stroke: Design, concept and first case series". Eura Medicophys, vol. 43, num. 4, paginas 463-8, 2007). A pesar de que los robots de rehabilitacion de base fija de tipo efector terminal han demostrado ser eficaces en la entrega de terapias en un entorno clmico, su adaptacion para la terapia en el hogar no es muy factible.

Un auxiliar de enfermena robotica ha sido divulgado por John Hu et al. en una revista titulada "An advanced medical robotic system augmenting healthcare capabilities - robotic nursing assistant" en Proceedings 2011 IEEE International Conference on Robotics and Automation del 9 de mayo de 2011 entre las paginas 6264-6269, XP032034034.

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Un diario titulado como "Desing of a low-cost series elastic actuator for multi-robot manipulation" presenta el diseno de un brazo de robot y los datos para caracterizar la precision y la resolucion del sensor de fuerza (durante Proceedings 2011 IEEE International Conference on Robotics and Automation del 9 de mayo de 2011, entre las paginas 5395-5400, XP032034353 por Emma Campbell et al.).

En contraste con los dispositivos de base fija, los robots de rehabilitacion basados en plataformas moviles pueden ser disenados para ser compactos y portatiles; por lo tanto, estos dispositivos tienen la alta promesa para permitir la terapia robotica basada en casa. Dado que estos dispositivos se pueden implementar con costes de fabricacion mucho mas bajos, su amplia disponibilidad los hace factibles. Varios robots de rehabilitacion de bajo coste, en el hogar han sido disenados en la literatura. Un dispositivo movil de bajo coste conocido, es el patm de brazo (Y. Chen, T. Kuo, y W. Chang, "Aid training system for upper extremity rehabilitation", en Int. Conference del IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, vol. 2, 2001, paginas 1360-1363), que es un dispositivo pasivo equipado con reles de laminas e imanes. En este robot, los reles de lamina se utilizan para vincular los objetos definidos en un entorno virtual con el entorno ffsico y determinar la posicion del robot. Dado que la configuracion magnetica es cara y se requiere una plataforma especial con reles de laminas, una implementacion posterior de este robot excluye los reles de laminas a favor de frenos electromagneticos conectados a las cuatro ruedas omnidireccionales de manera que el dispositivo puede proporcionar resistencia a los pacientes cuando sea necesario. Otro ejemplo de dispositivos de sobremesa de bajo coste es el Rutgers Arm II (G. Burdea, D. Cioi, J. Martin, D. Fensterheim, y M. Holenski, "The Rutgers Arm II Rehabilitation System-A feasibility study", IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 18, no. 5, paginas 505-514, 2010), un dispositivo movil que utiliza bolas de teflon para deslizarse sobre una mesa. Con el fin de proporcionar asistencia o resistencia al paciente, la mesa se inclina manualmente para emplear la gravedad para proporcionar la potencia necesaria. El movimiento del sistema ffsico se mide utilizando camaras y se muestra en un entorno virtual. Desafortunadamente, el uso manual del campo de gravedad restringe la asistencia/resistencia disponible que se puede proporcionar a un espectro muy limitado. ARMAssist es otra plataforma movil de bajo coste para la rehabilitacion del miembro superior (J. Perry, H. Zabaleta, A. Belloso, C. Rodriguez de Pablo, F. Cavallaro, y T. Keller, "ARMAssist: Development of a functional prototype for at-home telerehabilitation of post-stroke arm impairment", en IEEE International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics, 2012, paginas 1561-1566). La novedad de ARMAssist es el uso de un sensor de fuerza para medir las fuerzas humanas a lo largo de la direccion fuera del plano. Aunque uno de los objetivos futuros de este robot es proporcionar asistencia al paciente, la version actual del sistema es pasiva con tres ruedas omnidireccionales que permiten movimientos planos. Tres sensores de flujo optico se utilizan para determinar la configuracion plana del robot, mientras que el posicionamiento global se logra mediante una estera con un patron especial. A pesar de que las plataformas moviles pasivas son de bajo coste y potencialmente eficaces para motivar a los pacientes y proporcionar medidas cuantitativas de la evolucion del paciente, estos dispositivos estan limitados en que no pueden ayudar a los pacientes para ayudarles a completar la tarea, proporcionar retroalimentacion de fuerza para restringir desviaciones no deseadas, potencialmente peligrosas para las trayectorias deseadas, o permiten el ajuste en ffnea de la intensidad de las terapias. Estos dispositivos tampoco pueden aplicarse a pacientes con todos los niveles de deterioro. Otros sistemas de rehabilitacion pasiva portatiles adecuados para uso en el hogar incluyen controles remotos de Wii y camaras de infrarrojos integradas con juegos de realidad virtual, como tareas de coger y colocar.

MOTORE (CA Avizzano, M. Satler, G. Cappiello, A. Scoglio, E. Ruffaldi, y M. Bergamasco, "MOTORE: A Mobile Haptic Interface for Neuro-Rehabilitation", en IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication, 2011, paginas 383-388) es un robot movil activo destinado a la rehabilitacion del miembro superior. El movimiento es proporcionado por tres ruedas omnidireccionales accionadas. Dos celulas de carga se colocan en el mango del dispositivo de modo que se pueden medir las fuerzas en el plano y los controladores de admision pueden ser implementados durante las tareas de seguimiento de la trayectoria. Reha-Manus (D. Luo, M. Roth, C. Wiesener, T. Schauer, H. Schmidt, y J. Raisch, "Reha-Manus: A novel robot for upper limb rehabilitation", en Workshop Automatisierungstechnische Verfahren fur die Medizin (Automed), 2010, paginas 33-34) es otro ejemplo de la plataforma movil holonomica controlada de posicion completamente activa disenada para la terapia de las extremidades superiores. Este robot se basa en tres ruedas omnidireccionales accionadas por motorreductores equipados con codificadores opticos, y cuenta con sensores de fuerza de tres DoF. Dado que las plataformas moviles holonomicas accionadas con ruedas omnidireccionales son pasivamente no accionables de manera inversa, se requiere una fuerza de deteccion para asegurar interacciones ffsicas seguras con pacientes. Tanto Reha-Manus como MOTORE basan en sensores de fuerza para lograr ser accionables de manera inversa de forma activa a traves de control/admision de la fuerza. Sin embargo, el uso de sensores de fuerza disminuye significativamente la sencillez y la asequibilidad de estos dispositivos para la rehabilitacion en el hogar, dado que los sensores de fuerza requieren un acondicionamiento de senal significativo y los sensores de fuerza de alta precision son de alto coste. Ademas, el control de la fuerza expffcito es vulnerable a la inestabilidad debido a la no colocacion del actuador sensor impuesta por la dinamica de orden superior del sistema.

La presente invencion propone un actuador elastico en serie de una plataforma movil holonomica activa basada en multiples grados de libertad (DoF), para administrar ejercicios terapeuticos de sobremesa a pacientes que han sufrido lesiones que afectan a la funcion de sus extremidades superiores. En particular, la plataforma movil de la invencion consiste en un mecanismo paralelo compatible plano de 3 DoF acoplado a un robot movil omnidireccional con ruedas Mecanum. La implementacion de la invencion es ventajosa en que proporciona la introduccion deliberada de un elemento de multiples DoF compatible entre la unidad de accionamiento movil de multiples DoF y

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el paciente, que transforma la plataforma holonomico activa no accionable de manera inversa en un actuador elastico en serie de multiples DoF. El accionamiento elastico en serie no solo elimina la necesidad de sensores de fuerza costosos, sino que tambien permite la aplicacion de control de fuerza en bucle cerrado con mayores ganancias del controlador, proporcionando robustez frente a las imperfecciones en la transmision de energfa y permitiendo que sean utilizados componentes de accionamiento de menor coste. El resultado es un dispositivo de rehabilitacion activa de bajo coste con un espacio de trabajo plano ilimitado, especialmente adecuado para las terapias en el hogar. Ademas de administrar los ejercicios terapeuticos activos, pasivos y resistivos, la aplicacion de la presente invencion puede ayudar segun sea necesario, es decir, se puede ajustar de forma interactiva la cantidad de asistencia, para ayudar a aumentar la eficiencia de la formacion, garantizando la participacion activa de los pacientes.

En la literatura, se ha demostrado que la compatibilidad inherente de manipuladores roboticos introduce la no coubicacion entre los sensores de fuerza y actuadores e impone un lfmite superior a la ganancia de bucle del control de fuerza explfcito del bucle cerrado. Este lfmite de estabilidad inevitable en la ganancia del bucle limita significativamente las ganancias del controlador de fuerza explfcita, especialmente cuando se utilizan sensores de fuerza ngidos. La utilizacion de cualquiera de los acoplamientos suaves o sensores suaves se ha propuesto para mejorar la estabilidad del sistema de control de fuerza de bucle cerrado. El accionamiento elastico en serie (SEA) es como un ejemplo de tales tecnicas de control de la fuerza con sensores de fuerza suaves.

El SEA introduce deliberadamente un elemento compatible entre el actuador y el medio ambiente, entonces mide y controla la deflexion de este elemento compatible. Es decir, el SEA transforma el problema de control de la fuerza en un problema de control de posicion que puede abordarse utilizando estrategias de control de movimiento bien establecidas.

El SEA para el control de la fuerza es ventajoso, ya que evita la necesidad de sensores/actuadores de fuerza de alta precision y permite un control preciso de la fuerza ejercida por el actuador a traves del control de posicion tfpico de la deflexion del elemento de acoplamiento compatible. Otro de los beneficios del SEA es la baja impedancia de salida del sistema en las frecuencias por encima del ancho de banda de control, evitando impactos duros con el medio ambiente. Es decir, mientras SEA puede asegurar de nuevo la facilidad de conduccion aunque con control activo a frecuencias inferiores a la anchura de banda de control, tambien posee un cierto nivel de capacidad de accionamiento en revesa pasiva para excitaciones por encima del ancho de banda de control, garantizando la seguridad y robustez a lo largo de todo el espectro de frecuencias. Otra, muy importante, ventaja del SEA es su capacidad para alcanzar mayores ganancias del controlador con respecto a los controladores de fuerza explfcitos. Teniendo en cuenta el lfmite maximo de la ganancia de bucle que es directamente proporcional a las ganancias del controlador y la rigidez de la planta, las ganancias del controlador de SEA se pueden establecer en valores ordenes de magnitud mayor que los controladores de fuerza tfpicos, ya que la rigidez de un SEA es significativamente inferior que un sensor de fuerza tfpico. Por lo tanto, utilizar un sEa ofrece superioridad implfcita tal que la precision del control de la fuerza no esta limitada por el propio actuador, mientras que el sistema de circuito cerrado goza de mejores caractensticas de rechazo de perturbaciones. En consecuencia, el SEA no solo elimina la necesidad de sensores de fuerza costosos, sino que tambien permite la aplicacion de control de fuerza en bucle cerrado con mayores ganancias del controlador, proporcionando robustez frente a las imperfecciones en la transmision de energfa y permitiendo que componentes de accionamiento de menor coste sean utilizados.

La principal desventaja del SEA es su relativamente bajo ancho de banda debido a la introduccion deliberada del elemento de acoplamiento suave. La resolucion de fuerza de un SEA mejora a medida que el acoplamiento se hace mas docil; sin embargo, aumentar la docilidad disminuye el ancho de banda del sistema de control, compensando el tiempo de respuesta por exactitud de la fuerza. A pesar de que el bajo ancho de banda del SEA limita el rendimiento de representacion haptica, esto no representa una preocupacion importante para los robots de rehabilitacion, ya que una prestacion de alta fidelidad no es un objetivo y el ancho de banda del dispositivo todavfa puede mantenerse significativamente mas alto que el de los pacientes para proporcionar niveles adecuados de asistencia haptica.

Los dibujos adjuntos se dan unicamente con el proposito de ejemplificar el enfoque tecnico de la presente invencion cuyas ventajas se ha indicado anteriormente y se explicaran mas adelante en breve.

Los dibujos no estan destinados a delimitar el alcance de la proteccion como se identifica en las reivindicaciones ni deben ser referidos solos en un esfuerzo para interpretar el alcance identificado en dichas reclamaciones sin recurrir a la divulgacion tecnica en la descripcion de la presente invencion.

La figura 1 demuestra parametros geometricos y fuerzas que actuan sobre una bisagra de flexion en forma de V

en filetes segun la presente invencion.

La figura 2 demuestra modelo de cuerpo pseudo-ngido de mecanismo de 3-PaRR acuerdo con la presente

invencion.

Las figuras 3a a 3d demuestran la aplicacion monolftica compatible del mecanismo de 3-PaRR y limitaciones

contra los movimientos fuera del plano donde las figuras 3b a 3d demuestran las vistas de perspectiva desde

arriba, lateral y perspectiva desde abajo, respectivamente.

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La figura 4 demuestra un controlador en cascada de la plataforma movil de acuerdo con la presente invencion.

La figura 5 demuestra mediciones del sensor de fuerza junto con las estimaciones de la fuerza a traves del elemento elastico lo largo de direcciones x, y y 0.

La figura 6 demuestra trayectoria seguida junto con las fuerzas aplicadas durante todo el movimiento, donde las lmeas discontinuas representan los lfmites de pared virtuales mientras que las flechas muestran la magnitud y direccion de las fuerzas aplicadas.

La plataforma movil de acuerdo con la presente invencion consiste en un mecanismo paralelo compatible acoplado a un robot movil con ruedas Mecanum capaz de movimiento omnidireccional (plana 3 DoF).

Dado que la base movil con ruedas Mecanum de la plataforma movil de acuerdo con la presente invencion actua como un actuador de 3 DoF en el plano, se requiere un elemento compatible 3 DoF de forma que un SEA de multiples DoF pueda ser implementado. La presente invencion propone utilizar un mecanismo plano compatible como un medio de bajo coste para medir las fuerzas en el plano y el par que actua sobre el robot, mediante la medicion de la deflexion de este mecanismo compatible con sensores de posicion. Se prefieren los mecanismos compatibles planos ya que son faciles de fabricar como estructuras monolfticas, y libres de efectos parasitos tales como la friccion, la holgura. Para implementar el elemento compatible del dispositivo de acuerdo con la invencion, se adopta un diseno basado en un mecanismo paralelo, ya que los mecanismos paralelos son mas robustos frente a errores de fabricacion y los cambios dimensionales debidos al ruido termico. Los errores en el nivel de las articulaciones se promedian en el efector de extremo; por lo tanto, mecanismos paralelos pueden lograr un movimiento mas preciso que sus mecanismos homologos en serie. Ademas, los mecanismos paralelos pueden ser disenados para ser mas compactos con una mayor rigidez fuera de plano, en comparacion con los mecanismos de serie. Los mecanismos paralelos tambien son ventajosos ya que permiten la conexion a tierra de sensores de posicion.

En particular, un mecanismo paralelo plano compatible 3-PaRR se adopta como la estructura cinematica subyacente del elemento compatible. En este mecanismo, la posicion de los enlaces de salida del mecanismo de paralelogramo compatible (Pa) se mide con respecto al enlace de base. Las juntas de revolucion del mecanismo compatible estan disenadas como bisagras de flexion en forma de V fileteadas, mientras que los mecanismos de paralelogramo con dichas articulaciones de revolucion se utilizan para implementar articulaciones prismaticas compatibles. Se seleccionan bisagras de flexion en forma de V ya que proporcionan una mejor precision de rotacion que otros tipos de bisagra de flexion. En particular, dado que la mayor deformacion elastica de la bisagra se produce en el punto de espesor mmimo, el eje de rotacion de las bisagras de flexion en forma de V se puede determinar con alta precision. Para bajar la concentracion de esfuerzos y aumentar el rango de rotacion; las esquinas de los recortes en forma de V se filetean por un angulo fijo. La bisagra de flexion en forma de V fileteada se muestra en la figura 1, donde b es el ancho, h denota la altura, t representa el espesor mmimo, e I significa la longitud media de las bisagras de flexura. El sfmbolo c es la altura del perfil que es igual a (h-t)/2, mientras que R es el radio de la seccion circular, y 0 denota el angulo de separacion del perfil desde el eje horizontal. La deflexion de la bisagra de flexion en forma de V en filetes bajo momentos de flexion puede calcularse analfticamente como

imagen1

donde p = t/2R y y = t/2c. Aqrn, az representa el desplazamiento angular y Mz denota el momento de flexion alrededor del eje z. La deflexion maxima de flexion de la bisagra en forma de V fileteada se puede calcular haciendo coincidir el momento de flexion maximo con la tension de fluencia del material seleccionado. La rigidez de las articulaciones de las bisagras de flexion en forma de V fileteadas se dan como:

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Kunidn = (^) (2)

donde E es el modulo de Young del material seleccionado. En el diseno de la aplicacion de acuerdo con la invencion, cada bisagra de flexion en forma de V fileteada esta disenada para tener 2,75° de deflexion angular maxima y 1 Nm/rad de rigidez en las articulaciones.

El analisis de los mecanismos compatibles es significativamente mas duro que el analisis de sus homologos de cuerpo ngido, ya que el estudio de estos mecanismos requiere la determinacion de sus deformaciones bajo fuerzas aplicadas externamente. De acuerdo con la presente invencion, un modelo aproximado, es decir, el modelo de cuerpo pseudo-ngido, se utiliza para estudiar la cinematica del mecanismo paralelo 3-PaRR plano compatible. El modelo de cuerpo pseudo-ngido se prefiere debido a su eficiencia computacional y facilidad de uso. Un cuerpo pseudo-ngido aproxima el movimiento de un mecanismo compatible mediante la sustitucion de sus enlaces flexibles con enlaces ngidos y la introduccion de muelles de torsion en ambos extremos de dichos ngidos.

Una representacion esquematica del modelo de cuerpo pseudo-ngido de mecanismo paralelo plano compatible 3- PaRR se representa en las figuras 2 y 3. En esta figura N representa el marco de referencia de base, mientras que E denota el marco efector de extremo. El punto H es donde se une el mango y se encuentra en el centro del efector de extremo. El punto O marca el centro del espacio de trabajo. Los Cuerpos Ai, Bi y Ci, para i = 1, 2, 3, respectivamente, designan los tres cuerpos en cada pierna que conectan el extremo efector E a la tierra N, mientras que Ki, Li y Pi marcan los centros de articulaciones de revolucion. Para estudiar la cinematica de 3-PaRR, tres ecuaciones de bucle vectorial se pueden escribir en el plano de la siguiente manera:

imagen2

donde r representa el vector de posicion del supenndice izquierda a derecha y el supenndice i = 1, 2, 3 es el mdice de bucle. Es posible derivar seis ecuaciones escalares independientes de estas tres ecuaciones de bucle vector planas, mientras que tres ecuaciones escalares mas independientes se pueden derivar de la relacion entre las rotaciones conjuntas y las rotaciones del efector de extremo. Estas ecuaciones se pueden resolver analtticamente para determinar los nueve angulos de articulacion qai, qbi y qci para i = 1, 2, 3, que son necesarios para calcular la rigidez del espacio tarea del dispositivo. Sin embargo, ya que las deflexiones del mecanismo compatible son relativamente pequenas, la cinematica diferencial del dispositivo domina sus movimientos. En particular, la determinacion de la configuracion inicial del dispositivo junto con su matriz jacobiana es suficiente para resolver su cinematica. El jacobiano del modelo se puede calcular mediante la diferenciacion de las ecuaciones de bucle vector en la ecuacion (3) en N y la solucion junto con las ecuaciones de velocidad angular

imagen3

donde A significa pequenas cantidades e i = 1,2, 3. El Jacobiano resultante puede dividirse en cinematica Jacobiana Jt, que da la relacion entre el espacio articular y velocidades espaciales de tareas, y la restriccion jacobiana Jc, que impone las restricciones de movimiento en el sistema. Las matrices jacobianas cinematicas y restricciones pueden ademas ser agrupadas por el tipo de la articulacion: medida o pasiva. Esta forma de la matriz jacobiana proporciona una vision mas clara sobre el sistema, ya que los sub-bloques de la matriz reflejan claramente las contribuciones de las articulaciones medidas y pasivas. La matriz Jacobiana se expresa explfcitamente como

A XT 0

Jrm Jtp

JCin JCP

AQm

A qp

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donde JTm es la matriz jacobiana para juntas medidas sin restricciones, Jtp es la matriz jacobiana de las articulaciones pasivas sin restricciones, Jem es la matriz jacobiana para juntas medidas limitadas y Jcp es la matriz jacobiana de articulaciones pasivas restringidas, mientras Aqmc y Aqpa representa un pequeno desplazamiento de las articulaciones medidas y pasivas, y AXt denota los pequenos cambios en la configuracion del efector de extremo. En el caso 3-PaRR, se mide la posicion de los enlaces de salida de tres mecanismos de paralelogramo a tierra (que actuan con eficacia como articulaciones prismaticas), mientras que todas las juntas de revolucion restantes son pasivas. Los angulos de las articulaciones de los vrnculos de paralelogramo compatibles se calculan a partir de:

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donde Sai es el desplazamiento lineal medido, i = 1, 2, 3 e I es la longitud del cuerpo Ai.

Usando las matrices jacobianas, la relacion entre el desplazamiento de la articulacion medida conjunta y el desplazamiento del espacio de trabajo del efector de extremo puede derivarse como:

imagen5

donde JTcomp denota la matriz jacobiana del mecanismo compatible en general. Una vez que se obtiene la matriz jacobiana del mecanismo compatible 3-PaRR, la matriz de la rigidez del espacio de trabajo Kt del mecanismo se puede derivar como:

imagen6

donde Kqm y Kqp son los valores de rigidez de las articulaciones individuales medidas y pasivas.

La implementacion ffsica monolftica un mecanismo de 3-PaRR basado en un elemento compatible se muestra en el lado izquierdo de la figura 3. Las articulaciones prismaticas del mecanismo compatible estan equipadas con codificadores opticos incrementales lineales con resolucion de 2000 cuentas por pulgadas bajo la decodificacion de cuadratura. Para este mecanismo compatible 3-PaRR con bisagras de flexion en forma de V, Kqm = Kqp = Karticulacion se calculan como 0,014 Nm/rad siguiendo la ecuacion (2). Los terminos de la diagonal de la rigidez del espacio de trabajo se lee como Ktx = KTy = 14 N/mm a lo largo de direcciones x e y Kte = 4,4 Nm/rad alrededor del eje de rotacion, mientras que los terminos diagonales fuera son insignificantemente pequenos. Los movimientos fuera del plano del mecanismo compatible estan restringidos tal como se representa en el lado derecho de la figura 3. En particular, tres rodillos de rotula esferica se adjuntan a la parte inferior del efector de extremo del elemento compatible y estos rodillos estan limitados a la superficie plana de la plataforma holonomica desde la parte superior para contrarrestar las fuerzas fuera del plano y momentos aplicados por el paciente.

La implementacion de la plataforma movil de acuerdo con la presente invencion posee una forma rectangular de 340 mm x 160 mm x 85 mm. La huella del robot esta disenada de manera que el antebrazo y la muneca pueden colocarse comodamente en el robot, aliviando a los pacientes de la carga de soportar el peso de su propio brazo. El robot movil esta destinado a ser utilizado como un dispositivo de sobremesa y posee 3 DoF (2 DoF de traslacion y 1 DoF de rotacion) para sostener todos los posibles movimientos planos. El robot se elige como de tipo holonomico, de modo que la totalidad de sus DoF pueden controlarse independientemente. Aunque solo tres actuadores son suficientes para abarcar de forma independiente todos los DoF en un plano, la plataforma movil esta disenada para utilizar cuatro actuadores. Se prefiere accionamiento redundante ya que permite utilizar motores de corriente continua de potencia mas baja para alcanzar altos resultados fuerzas/torques en el espacio de trabajo del robot. Por otra parte, con un diseno de cuatro ruedas, el movimiento holonomico se puede lograr utilizando ruedas Mecanum - ruedas omnidireccionales con rodillos en angulo de 45 grados - que pueden proporcionar una mayor traccion y un movimiento mas suave. Se afirma que los robots Mecanum con ruedas pueden manejar el deslizamiento mejor que disenos de robots holonomicos de tres ruedas. Dado que el robot esta equipado con cuatro ruedas, el diseno integra un sistema de suspension para asegurar que todas las ruedas estan en contacto con el suelo en todo momento. En concreto, los muelles de suspension se eligen entre los componentes de la suspension disponibles en el mercado para los coches de RC y tienen 10 mm de carrera. Las piezas de conexion y la parte superior del cuerpo del robot se fabrican con aluminio. Los actuadores del robot movil se eligen como motores de CC de escobilla con pares continuos de 180 de mNm. La energfa generada por los motores se transmite a las ruedas a traves de una transmision por correa con una relacion de amplificacion de par de torsion de 1:3,5. La posicion del robot se estima a traves de navegacion a estima sobre la base de los codificadores opticos situados en los ejes de motor. A pesar de que los actuadores son accionables de manera inversa, el robot movil no lo es, debido a las ruedas Mecanum. Por lo tanto, el robot esta equipado con el elemento elastico de serie detallado previamente para que la capacidad de accionarse de manera inversa pueda lograrse a traves de control activo.

Para asegurar el accionamiento de manera inversa de la aplicacion segun la invencion bajo la accion de fuerzas aplicadas por el paciente en el efector de extremo del mecanismo compatible, se implementa un controlador en tiempo real. El diagrama de bloques del sistema de bucle cerrado SEA se presenta en la figura 4, donde las variables ffsicas estan marcadas con lmeas mas gruesas. En esta estructura en cascada, hay un bucle de control de velocidad interior y un bucle de control de fuerza/admitancia exterior. El bucle interior de la estructura de control se

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ocupa de imperfecciones, tales como la friccion, la friccion estatica, haciendo del sistema una fuente de la velocidad ideal. Tal como el bucle externo, se implementa un controlador de admision. En particular, en la figura 4, Fhumano representa las fuerzas aplicadas por los pacientes, t es los pares aplicados por los accionadores de la plataforma

a,

movil holonomico, mientras lh denota las velocidades de estos actuadores. Los sfmbolos Kp y Ki denotar las ganancias PI del controlador de velocidad en el bucle interior de la plataforma movil, mientras que M y b representan los parametros de la admitancia deseados. El sfmbolo Kt es la rigidez del espacio de trabajo, mientras que Jicomp representa el jacobiano general del mecanismo compatible 3-PaRR. Finalmente, Jh es el jacobiano de la plataforma

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holonomica, mientras h representa la pseudo-inversa. De acuerdo con la figura 4; las fuerzas aplicadas al efector de extremo del mecanismo compatible resultan en desplazamientos medidos por los codificadores lineales unidos a sus articulaciones prismaticas. La deflexion del efector de extremo y las estimaciones de las fuerzas aplicadas se calculan mediante el uso de matrices jacobianas y rigidez de trabajo globales calculadas previamente. Las velocidades de espacio de trabajo deseadas de la plataforma holonomica se calculan aplicando fuerzas estimadas a la entrada deseada. Una pseudo-inversa de la jacobiana de la plataforma holonomica se utiliza para calcular las velocidades conjuntas deseadas, ya que la plataforma movil Mecanum con ruedas con cuatro actuadores es un mecanismo redundante en el plano. Por ultimo, un controlador PI regula la plataforma holonomica para seguir estas trayectorias de velocidad deseadas. Es de senalar que las fuerzas aplicadas al mecanismo compatible tambien actuan en la plataforma holonomica, bajo el supuesto de que el mecanismo compatible comporta un muelle ideal.

La verificacion experimental de la fuerza de deteccion utilizando el mecanismo compatible 3-PaRR y de usabilidad representativa de los estudios con la implementacion de la plataforma movil de acuerdo con la presente invencion se puede realizar de la siguiente manera:

Con el fin de verificar la fidelidad de deteccion de la fuerza del elemento compatible, un banco de pruebas se prepara de tal manera que las estimaciones de fuerza del mecanismo compatible pueden ser comparadas con sensor comercial de fuerza/par de 6 ejes ATI Nano17. En particular, la fuerza/par aplicado al mecanismo compatible se estima utilizando la rigidez del efector de extremo y las mediciones de la deflexion de los paralelogramos a tierra del mecanismo compatible 3-PaRR. Teniendo en cuenta las desviaciones de los enlaces conectados a tierra, las desviaciones de efectores finales se calculan utilizando la cinematica directa. La figura 5 presenta las medidas del sensor de fuerza junto con las estimaciones de la fuerza a traves del elemento compatible a lo largo de direcciones x, y y 0, respectivamente. Los resultados indican que las estimaciones de fuerza a traves del elemento compatible pueden rastrear las fuerzas aplicadas bastante bien, siempre y cuando las fuerzas aplicadas esten debajo de cierto umbral. En particular, las estimaciones de la fuerza tienen un error de alrededor del 10% en comparacion con un sensor de fuerza de alta precision, con errores RMS de f = 1,7 N, efy= 2,2 N y eT0= 2,7 Nmm. Es de senalar que, cuando las fuerzas aplicadas se incrementan, el error en las estimaciones de la fuerza aumenta. Se espera dicho error, ya que el analisis del mecanismo compatible depende fuertemente de un pequeno supuesto de deflexion.

Para los estudios de usabilidad de la aplicacion de la presente invencion, un tunel virtual, que se muestra en lmeas de trazos, se lleva a cabo mediante la introduccion de paredes virtuales a ± 50 mm desde el eje x, definiendo regiones prohibidas en el espacio de trabajo de la plataforma movil. El tunel virtual es un pasillo recto con 100 mm de ancho y 700 mm de altura. La Figura 6 presenta los resultados experimentales, donde la trayectoria seguida por el robot esta representada junto con las fuerzas aplicadas por el paciente. De los resultados experimentales representativos, se puede observar que el movimiento del robot movil sigue de cerca las fuerzas aplicadas en el efector de extremo. Por otra parte, cada vez que el paciente alcanza el lfmite del tunel virtual, el controlador empuja el robot al interior del tunel, implementando de forma exitosa los accesorios virtuales. Finalmente, el robot es altamente accionable de manera inversa y puede ser facilmente dirigido con fuerzas pequenas.

Una interfaz haptica movil, portatil, de la serie elastica, de 3-DoF, ha sido desarrollada para ofrecer terapias de rehabilitacion basadas en el hogar y administrar una gama de mediciones de movimiento/fuerza de la extremidad superior. Se han realizado pruebas de viabilidad y estudios de usabilidad preliminares y se ha demostrado la eficacia del dispositivo en la asistencia a los movimientos del brazo. La experiencia con el dispositivo sugiere que el dispositivo es ergonomico y facil de usar.

En pocas palabras, la puesta en practica de acuerdo con la presente invencion es un dispositivo portatil/movil para ayudar a la rehabilitacion ffsica y la evaluacion del desempeno del paciente. Se compone de una plataforma movil, un elemento compatible y un algoritmo de control o, mas espedficamente se compone de una plataforma movil de multiples grados de libertad y un elemento compatible de multiples grados de libertad y un algoritmo de control. Un miembro humano (brazo o pierna o partes de ellos) esta conectado al sistema a traves del elemento compatible mientras que la plataforma movil soporta y mueve la extremidad.

La plataforma movil de acuerdo con la presente invencion realiza el movimiento en cualquier plano dado, actuando como un actuador de multiples grados de libertad sobre un plano con espacio de trabajo de traslacion y de rotacion ilimitados tal que el dispositivo funciona en diferentes planos. Las deflexiones del elemento compatible se miden a traves de una unidad de deteccion de la posicion y dada la rigidez del elemento compatible, estas mediciones se asignan a fuerzas aplicadas por la extremidad. El algoritmo de control introduce las estimaciones de fuerza (o

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deflexiones del elemento compatible) y mueve la plataforma movil de acuerdo con las fuerzas aplicadas. El movimiento de la plataforma movil se mide; por lo tanto, movimientos de las extremidades humanas tambien pueden ser medidos y estimados.

El dispositivo de la presente invencion puede controlar la fuerza de interaccion entre el humano y la plataforma movil. Puede mover la extremidad cuando el paciente es pasivo de tal manera que los movimientos se imponen a la extremidad o el paciente puede dirigir el dispositivo segun se desee cuando el algoritmo de control esta en su lugar. El dispositivo puede por consiguiente ayudar a la extremidad, segun sea necesario para ayudarle a completar la tarea. El dispositivo tambien puede resistir que el paciente imponga regiones prohibidas en el espacio de trabajo.

Es de senalar que el dispositivo puede trabajar junto/sincronizado con un ordenador, puede ayudar/resistir a los pacientes durante videojuegos terapeuticos o con aplicaciones de realidad virtual. En una realizacion preferida de acuerdo con la invencion, se utiliza una plataforma movil holonomica (una plataforma que puede moverse hacia cualquier direccion en cualquier momento) usando 4 ruedas Mecanum para la plataforma movil. Es de senalar que muchas otras implementaciones son posibles, por ejemplo, con 3 (o mas) ruedas omnidireccionales, 2 (o mas) ruedas conducidas y accionadas. El principio de la invencion tambien puede trabajar con plataformas moviles no holonomicas.

En la realizacion preferida de acuerdo con la invencion, se utiliza una flexion compatible monolttica para el elemento compatible. Un mecanismo paralelo plano tambien se utiliza debido a su cinematica subyacente; sin embargo, muchas otras implementaciones pueden ser igualmente efectivas por, por ejemplo, cadenas seriales o cinematicas paralelas. Cualquier elemento compatible con multiples grados de libertad servira, siempre y cuando las deflexiones de los efectores finales puedan ser medida/estimada.

La rigidez del elemento compatible es ordenes de magnitud menos ngida que un sensor de fuerza clasica y, como resultado, mientras que controla la fuerza de interaccion, las ganancias de control pueden ser ordenes de magnitud mas grande que las ganancias que pueden ser seleccionadas con un sensor de fuerza seleccionada. Mayores ganancias del controlador significan un mejor rendimiento de control y robustez.

Claims (13)

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   REIVINDICACIONES

   1. Una plataforma movil holonomica elastica en serie para la administracion en el hogar de ejercicios de rehabilitacion ffsica terapeuticos de sobremesa para pacientes y la evaluacion del rendimiento del paciente durante estos ejercicios, proporcionandose dicha plataforma movil como una plataforma movil de multiples grados de libertad (DoF) que comprende un mecanismo compatible con multiples DoF y una unidad de control

   en la que dicha plataforma movil de multiples DoF comprende al menos tres ruedas Mecanum accionadas y dicho mecanismo compatible con multiples DoF se proporciona como una unidad de deteccion de fuerza en forma de un elemento elastico plano compatible con multiples DoF en serie,

   en la que dicho mecanismo compatible opera de tal manera que las fuerzas en el plano y la torsion que actuan se determinan midiendo la deflexion de dicho mecanismo compatible por medio de sensores de posicion, con lo cual la plataforma holonomica activa que no se puede accionar de manera inversa opera como un actuador elastico de multiples DoF en serie, caracterizada porque

   dicha plataforma movil esta asociada con al menos un mecanismo 3-DoF plano paralelo compatible, acoplado a un robot movil omnidireccional con ruedas Mecanum.
2. 2. Una plataforma movil holonomica elastica en serie segun la reivindicacion 1, en la que dicha plataforma movil posee 3 DoF en forma de 2 translaciones de DoF y 1 rotacion de DoF para sostener todos los movimientos planos posibles.
3. 3. Una plataforma movil holonomica elastica en serie segun la reivindicacion 1 o 2, en la que dicho mecanismo compatible es un mecanismo de paralelogramo (Pa) compatible.
4. 4. Una plataforma movil holonomica elastica en serie segun la reivindicacion 2 o 3, en la que dicho mecanismo compatible se proporciona como un mecanismo paralelo 3-PaRR plano.
5. 5. Una plataforma movil holonomica elastica en serie segun la reivindicacion 4, en la que la posicion de los enlaces de salida de dicho mecanismo compatible se mide con respecto a un enlace de base.
6. 6. Una plataforma movil holonomica elastica en serie segun la reivindicacion 4 o 5, en la que unas articulaciones rotoides de dicho mecanismo compatible estan disenadas como una articulacion de flexion en forma de V fileteada.
7. 7. Una plataforma movil holonomica elastica en serie segun la reivindicacion 5 o 6, en la que se mide la posicion de los enlaces de salida de tres mecanismos de paralelogramo conectados a tierra actuan como juntas prismaticas.
8. 8. Una plataforma movil holonomico elastica en serie segun la reivindicacion 7, en la que se mide la posicion de los enlaces de salida de tres mecanismos de paralelogramo conectados a tierra mientras que otras articulaciones rotoides son pasivas.
9. 9. Una plataforma movil holonomica elastica en serie segun la reivindicacion 7 u 8, en la que un efector de extremo del mecanismo compatible se proporciona de tal manera que unos rodillos esfericos estan unidos a la parte inferior del efector de extremo del mecanismo compatible y dichos rodillos estan limitados a una superficie plana de la plataforma holonomica desde arriba como contrapeso fuera de plano de fuerzas y los momentos aplicados por los pacientes.
10. 10. Una plataforma movil holonomica elastica en serie segun la reivindicacion 9, en la que las fuerzas aplicadas al efector de extremo de dicho mecanismo compatible resultan en desplazamientos medidos por codificadores lineales unidos a las articulaciones prismaticas y en la deflexion del efector de extremo y se calculan estimaciones de las fuerzas aplicadas.
11. 11. Una plataforma movil holonomica elastica en serie segun la reivindicacion 6, en la que las esquinas de los recortes en forma de V se filetean por un angulo fijo.
12. 12. Una plataforma movil holonomica elastica en serie segun la reivindicacion 6 u 11, en la que cada articulacion de flexion en forma de V fileteada esta disenada para tener 2,75° de deflexion angular maxima y una rigidez de 1 Nm/rad en la articulacion.
13. 13. Una plataforma movil holonomico elastica en serie segun la reivindicacion 4 y 9, en la que las fuerzas/torsion aplicadas al mecanismo compatible se estiman utilizando la rigidez del efector de extremo y las mediciones de la defeccion de paralelogramos conectados a tierra del mecanismo 3-PaRR compatible.