ES2713777A1 - Sistema de asistencia motorizada - Google Patents

Abstract

Sistema de asistencia motorizado que comprende una órtesis de tibia con: - Una sujeción tibial (1) que cubre la espinilla del usuario. - Una sujeción de tobillo (2) articulada a la altura del eje del tobillo con una sujeción plantar (3). - Un procesador (6); La sujeción tibial (1) puede comprender un soporte (5) de un torno (7), motorizado, en el que se engancha una correa (8) cuyo extremo libre está fijado al pie, de forma que el torno (7) recoge la correa (8) cuando un sensor de la posición del pie indica que no está apoyado. Alternativamente puede comprender una órtesis de fémur con sendos actuadores de fémur (11, 12) que recojan o suelten en paralelo senda correas, una unida a un arnés o cinturón (13) y la otra a la sujeción tibial (1). El sistema puede comprender como complemento o alternativa una órtesis de cadera.

Description

DESCRIPCION

Sistema de asistencia motorizada

SECTOR DE LA TECNICA

La presente invencion se refiere a un sistema de asistencia motorizada, exoesqueleto, que en su version mas completa corresponde a un conjunto de tres ortesis que reproducen los movimientos propios de los musculos de la pierna permitiendo que un individuo con discapacidad locomotora, pero con extremidades inferiores normales, pueda caminar. En la version mas simple corresponde a una ortesis tibial correctora del pie equino, permitiendo a los afectados por esta disfuncion el movimiento normal. Es de aplicacion en el campo de la ortopedia.

ESTADO DE LA TECNICA

Los sistemas de asistencia motorizada al desplazamiento, popularmente conocidos como exoesqueletos, se basan en sistemas lateralizados, un armazon metalico articulado recorre los laterales de las extremidades y en ellos van insertados una serie de motores que ayudan o proporcionan, plenamente, la funcion locomotora.

Su mecanismo basico de actuacion es elevar el cuerpo del paciente mediante motores, que deben soportar una gran carga de trabajo (casi el total del peso del paciente mas el suyo propio).

El peso de dichos exoesqueletos, aunque se investiga y constantemente se trata de rebajar, es considerable. Ademas, al estar el peso distribuido en el lateral (motores y exoesqueleto en si), cambia totalmente el centro de gravedad del paciente al moverse, siendo necesario el uso de giroscopios y sensores de inercia, que corrigen constantemente a los motores para mantener el simple equilibrio del propio sistema paciente/exoesqueleto a la hora de caminar.

Esta combination de potencia de motores, sensores, peso, y distribution que en nada reproducen la biomecanica propia del ser humano, encarecen considerablemente el producto final.

Por otro lado, y como muestra del grado de modularidad del sistema, nos centraremos en una de combinaciones mas simples, como solucion funcional a un trastorno motor concreto. El pie equino, denominado “drop foot’ en ingles, es una disfuncion que impide el movimiento hacia arriba de la punta del pie, y por lo tanto dificulta andar e imposibilita correr. Para poder caminar, el paciente desarrolla, de diversas maneras, una sobrecompensacion para paliar su deficiencia, dando como resultado una cojera que acarrea otra serie de problemas al sobrecargar grupos musculares y hacer que las articulaciones tengan un movimiento, un giro forzado o ambos. Sus causas son variadas, pero el tratamiento suele ser por ortesis.

Cuando ni el musculo ni el nervio tibial han sido afectados (no hay trauma, ni proceso de desmielinizacion), se han desarrollado dispositivos que estimulan dicho nervio, sustituyendo el impulso dimanante del sistema nervioso central, por una pequena descarga en dicho nervio, justo por debajo de la rodilla, que activa el normal funcionamiento muscular. Si hay afeccion nerviosa, degenerativa, traumatica o muscular, dichos dispositivos resultan inutiles.

Las ortesis desarrolladas se engloban bajo la denomination AFO (Ankle Foot Orthosis) en ingles, (ortesis de tobillo y pie) y son muy variadas. Desde las que unicamente realizan una estabilizacion pasiva del pie, manteniendolo constante a 90 grados, hasta las dinamicas, que basicamente, realizan una action de empuje sobre la base del pie, mediante el mecanismo de hacer palanca sobre los gemelos de la pierna. Las mas avanzadas de las ultimas, permiten incluso correr. Estos sistemas son puramente mecanicos.

Tambien existen prototipos electronicos, que no han podido ser comercializados por los problemas que comprenden como, por ejemplo, necesidad de una gran bateria o equipo electronico.

La invention se englobaria en este segundo tipo de ortesis, pues comprende unos equipos electronicos que coordinan los elementos activos de la ortesis, pero con un coste y un numero de elementos muy reducidos.

La invencion consiste en un sistema de asistencia motorizado segun las reivindicaciones.

El sistema de asistencia motorizado, es un cambio de paradigma en dichos sistemas, pudiendo decir que se trata de un sistema “exomuscular1’, mas que de un exoesqueleto al uso. Reproduce el comportamiento de los propios musculos y tendones, en el mismo eje, sentido y direccion, haciendo que la articulacion, con la minima ene^a, se comporte como lo haria normalmente. Es decir, reproduce fielmente la biomecanica propia del sistema locomotor.

Esta basado en el movimiento de balanceo que de manera natural realiza el ser humano al caminar, descargando de peso la pierna que vamos a mover, por lo que no es necesaria tanta potencia en los motores, como en los sistemas exoesqueleticos actuales, reduciendo drasticamente tambien su consumo energetico.

Consigue una biomecanica perfecta, igual a la efectuada de manera natural por las personas sin lesion o incapacidad.

En el caso del pie equino, permite correr de manera natural. No requiere un esfuerzo constante sobre el gemelo como realizan algunas ortesis mecanicas. Por otro lado, requiere de un pequeno esfuerzo por parte del usuario, por lo que no atrofia los musculos.

En el sistema completo cargamos el peso en la pierna que queda fija, mientras descargamos de peso a la que vamos a mover, usando el mmimo de energia en cada movimiento.

Los exoesqueletos convencionales levantan la totalidad del peso corporal, sin tener en cuenta ni aprovechar (hasta donde se puede observar), dicho juego de balanceo.

El prototipo actual se ha disenado pensando en personas con movilidad reducida, que caminan con muletas, por ejemplo, o que tengan distintos tipos de minusvalia, pero no para paraplejicos totales (sin ningun control sobre las extremidades inferiores)

El sistema se compone de tres secciones que, en conjunto y bajo las ordenes de un procesador, o microcontroladora central (CPU), que marca los tiempos y angulos de giro de los servomotores, actuadores o diferentes partes activas, actuan sobre las ortesis, reproduciendo los movimientos propios de los musculos al caminar, consiguiendo la movilizacion paulatina, preprogramada, de la extremidad.

El sistema se compone de tres ortesis (de tibia, de femur/muslo y de cadera) que pueden ser ensambladas de manera mas o menos independiente segun las necesidades propias del paciente, o en conjunto, con lo que realizan de manera autonoma todos los movimientos propios de la pierna al caminar.

En concreto posee una ortesis tibial, especialmente aplicable para corregir el pie equino, con una sujecion tibial que cubre la espinilla del usuario, por ejemplo, una espinillera. Una sujecion de tobillo, articulada a la altura del eje del tobillo con una sujecion plantar. Tambien comprende un procesador o controladora de la ortesis y su fuente de alimentacion.

Ademas, la sujecion tibial comprende un soporte de uno o, preferiblemente, dos tornos, motorizados, de sendas correas. El extremo libre de la primera correa, o correa delantera, esta fijado a la parte delantera del pie. En la solucion mas sencilla ("droop foot"), el torno recoge la correa delantera cuando un sensor de la posicion del pie indica que no esta apoyado en el suelo.

En la solucion mas completa, ademas de este primer movimiento descrito, el segundo torno hace lo propio a una correa enganchada a la parte trasera del calzado (“correa trasera”), elevando el talon a una senal bien de un sensor, bien de otro activador. Ambos movimientos son contrarios y alternativos, (elevacion del talon, elevacion de la puntera).

Como ejemplos de sensores de la posicion del pie se citan uno o mas sensores de presion dispuestos en la sujecion plantar y uno o mas acelerometros o giroscopios.

En la solucion mas sencilla, el procesador y la fuente de alimentacion estan igualmente portados en el soporte.

Por su parte, el extremo libre de la correa delantera puede fijarse al pie por muchos metodos, siendo los mas practicos:

- Un lazo capaz de rodear al pie. Por ejemplo, una brida que se desechara por estar sucia.

- Un enganche en el zapato, que debera disenarse a proposito para resistir esas tensiones.

- Un enganche en una prolongation de la sujecion plantar.

El extremo libre de la correa trasera idealmente iria enganchado directamente al calzado, modificado a tal efecto en los laterales posteriores tras el juego del tobillo, cerca del talon, de manera que se elevase directamente el calzado y este a su vez el talon.

Se pueden instalar poleas de derivation de las correas en el soporte para facilitar la orientacion de las mismas.

Para el control de la carga del torno, se puede definir varias normas. La primera es asegurar que el torno libera (y retoma) una cantidad regulable de correa. La segunda es detener el torno cuando la resistencia de la correa supere un limite programable. Para ello se incluira un sensor de carga en el torno o su motor.

La invention tambien puede comprender una ortesis de femur, situada por encima de la rodilla. Se compone de un pequeno sistema sobre el muslo que sirve de base a dos actuadores de femur:

• El actuador de femur inferior esta unido mediante una correa, preferiblemente ajustable, a la ortesis tibial, produciendo la extension de la rodilla al accionarse. El plegado de la rodilla (flexion parcial), se produce por la combination del movimiento de la ortesis de cadera y del segundo torno de la ortesis de tibia (que actua sobre el talon, elevandolo).

• El actuador de femur superior se encuentra unido a un cinturon / arnes (idealmente de hombros), que puede compartir con la ortesis de cadera, y realiza un movimiento similar de alargar o acortar su correa, simplemente como compensation del primero. Asi la fuerza resultante no se pierde en la natural palanca del actuador de femur inferior sobre la ortesis de femur, ni sobre el muslo, sino que la maxima fuerza tractora produzca el efecto deseado (extension de la rodilla).

Si el paciente unicamente necesitase la ortesis de femur, se pueden eliminar o desactivar los elementos activos (torno, correa) de la ortesis tibial, usandose unicamente esta como ortesis pasiva, a fin de realizar unicamente, la extension de la rodilla.

Finalmente, la invention puede constituirse como una ortesis de cadera, formada por un arnes que porta igualmente uno o mas actuadores de cadera. Este actuador de cadera preferiblemente comprende un sistema de tiro (solido) que modifica el angulo para que la direction de esfuerzo sea inicialmente lo mas paralela al suelo posible (es decir que permita el avance con mas eficiencia). Para ello, por ejemplo poseera un radio muy elevado de forma que el movimiento, al principio, sea practicamente recto y horizontal. Mas adelante se levantara la pierna con el resto del movimiento del sistema de tiro.

Esta ortesis de cadera puede utilizarse de forma independiente a las demas, o mas preferiblemente como complemento para completar la asistencia al usuario.

Todo ello puede poseer un boton de activation, para que el sistema se active o desactive cuando el usuario lo necesite y no este en reposo o detenido. Mas aun, se podra regular el boton de activacion en respuesta a las necesidades. Por ejemplo, si el usuario va a subir un pequeno escalon, la ortesis de cadera podra necesitar una actuation algo mayor.

Para corregir el pie equino, puede comprender un sensor de presion localizado en la planta del talon, que indica a la CPU cuando este se encuentra levantado o en contacto con el suelo, activando o desactivado del motor (elevando o no la puntera del pie).

DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

Para una mejor comprension de la invencion, se incluyen las siguientes figuras.

Figura 1: vista general de un ejemplo de realization del sistema de asistencia motorizado, de la ortesis tibial, eliminando cableado para simplificar la vista.

Figura 2: esquema de la position de los diferentes elementos de otra realizacion, en el momento en el que el paciente levanta el talon del suelo.

Figura 3: esquema de la posicion de los diferentes elementos de la realization de la figura 2, en el momento en el que el pie se encuentra separado del suelo (en el aire).

Figura 4: vista esquematica de la parte superior de una realizacion mas avanzada, que comprende la ortesis de femur.

Figura 5: vista esquematica de una realizacion aun mas avanzada, con las tres ortesis fijadas a una pierna (en lmea discontinua).

MODOS DE REALIZACION DE LA INVENCION

A continuation se pasa a describir de manera breve un modo de realizacion de la invention, como ejemplo ilustrativo y no limitativo de esta.

La ortesis tibial mostrada en la figura 1 parte de una sujecion tibial (1), cubriendo la espinilla del usuario, que se prolonga hacia la parte inferior mediante una sujecion del tobillo (2), y una sujecion plantar (3), normalmente limitada al talon. La union entre la sujecion del tobillo (2) (una parte por cada lado del tobillo, aunque solo se aprecie un lado) y la sujecion plantar (3) se realiza a traves de una articulation (4) que permite la rotation de ambas. La articulacion (4) debera estar alineada con el eje de rotation del tobillo del usuario o paciente. Esta alineacion sera normalmente realizada por un tecnico.

La sujecion tibial (1) posee un soporte (5) del equipamiento electrico y mecanico, formado principalmente por el procesador (6) (CPU) y un torno (7) motorizado de una correa (8). El extremo libre de la correa (8) esta fijado al pie, en cerca de la puntera. Esta fijacion puede ser por medio de un lazo que rodee el pie, un enganche en el zapato o en una prolongation (3’) de la sujecion plantar (3), u otro sistema similar. La posicion del torno (7) sera preferiblemente sobre el eje longitudinal del pie, para que la correa (8) realice el movimiento mas sencillo y no haya esfuerzos laterales sobre el torno (7). Si se desea, se podran instalar poleas de derivation. La ortesis de tibia puede poseer un segundo torno (7’) con su correa trasera (8’) que realice el movimiento contrario de la articulacion. Es decir, que ayude a elevar el talon (en conjunto con el movimiento de la ortesis de cadera provoca la semiflexion y desbloqueo de la rodilla).

En la solucion mas sencilla (droop foot) el procesador (6) pondra en marcha el torno (7) segun las lecturas de uno o mas sensores de presion (9) dispuestos en la sujecion plantar (3) o en su prolongation. El movimiento de liberar correa (8) puede no estar motorizado porque el propio pie tirara de ella. Bastara con liberar un freno (no representado). Es igualmente posible detectar la position del pie por medio de giroscopios o acelerometros.

Los tornos (7) y (7’) estaran activados normalmente por dos servomotores, y se podran regular la longitud de las correas (8 y 8') que debe recoger, o detectar cuando la resistencia del pie a la recogida de las correas (8 y 8') supera un limite programable.

En la solucion mas sencilla (droop foot) si se desea, aunque no es realmente necesario, se puede modificar la reaction si detecta que el usuario corre o trota. Esa modification puede hacerse via software, al detectar un incremento de frecuencia en los cambios de presion. En carrera, el punto de no tiro podria ser menor (mas alto en el recorrido de la pierna) o hacer que el recorrido ascendente sea mayor.

En las figuras 2 y 3 se muestra la posicion de los diferentes elementos de la ortesis tibial en su solucion mas simple (unicamente droop foot) durante el apoyo y la elevacion del pie. Esta solucion se aplica a los casos en que el paciente no puede levantar la punta del pie.

En la solucion mas compleja (en la que el paciente no pueda elevar el talon por si mismo), dicho movimiento lo realizaria el segundo torno (7’) de manera analoga (torno no representado en estas dos figuras, pero si en el a figura 1).

En la figura 2 se aprecia el inicio del movimiento en la solucion mas simple. El paciente eleva el talon, provocando que un sensor de presion (9) de la senal a la CPU / procesador (6) para que mande al torno (7) que inicie la recogida programada de la correa (8) y eleve la punta del pie (figura 3).

En una solucion mas compleja, un accionador externo (un boton por ejemplo) daria la senal a la CPU para que el segundo torno (7’), realizase dicha elevation de talon. Dicho movimiento se dara a la vez que se mueve un actuador de cadera (14) de la ortesis de cadera que se indicara mas adelante, complementandose ambos para producir el desbloqueo de rodilla y la efectiva elevacion de talon (imposible si la rodilla permanece bloqueada / estirada).

Un tiempo preprogramado despues, el segundo torno (7’) pasa a reposo y se activa el torno (7), segun ya hemos descrito, a la vez que el torno de la ortesis de cadera continua con su movimiento, permitiendo el avance efectivo de la pierna.

La solucion preferida para la sujecion tibial (1) es aplicar una espinillera, que permite colocar el soporte (5) en la posicion deseada. En cambio, la sujecion del tobillo (2) y la sujecion plantar (3) pueden estar constituidas por una tobillera articulada. Estos elementos ya estan disponibles en el mercado y solo seria necesaria su union.

En la figura 4 se muestra una realization mas avanzada, que comprende la mayoria de los elementos de la ortesis tibial, senalados con las mismas referencias, asi como una ortesis de femur.

La ortesis de femur comprende una fijacion del muslo (10), situada por encima de la rodilla y por delante del paciente. La fijacion porta dos actuadores de femur (11,12). El actuador de femur inferior (11) esta unido mediante una correa a la ortesis tibial. El actuador de femur superior (12) esta fijado mediante otra correa a un cinturon, pero mas preferiblemente a un arnes (13) puesto que debe ser capaz de aguantar la tension que mueve la rodilla.

Cuando se activa el actuador de femur inferior (11) se produce la extension de la rodilla. A la vez, el actuador de femur superior (12) realiza el movimiento contrario (que corresponde igualmente a alargar o acortar la correa correspondiente) para compensar los esfuerzos y trasladarlos al arnes (13).

Si el paciente unicamente necesitase la ortesis de femur, se pueden eliminar o desactivar los elementos activos de la ortesis tibial para que todas las funciones las realice la ortesis de femur, pasando la ortesis tibial a ser una ortesis pasiva.

En la figura 5 se muestra una ortesis de cadera, que parte de un arnes (13) de hombros que es el utilizado tambien para el enganche superior de la ortesis de femur. El sistema de tiro y funcionamiento es similar a las partes activas de las otras ortesis. Sin embargo, el actuador de cadera (14) que tira de la correa correspondiente ha de ser mayor, y generalmente requiere de una palanca (15) que ayude a reorientar el esfuerzo. Se trata de conseguir que el movimiento sea inicialmente lo mas paralelo al suelo posible en lugar de ascendente (que es el movimiento natural de cualquier actuador en esa posicion y el de los demas descritos en la invention). El actuador de cadera (14) estara unido por la palanca (15) y su correa a una fijacion de pernera (16), que sera normalmente un lazo o collar. Asi provoca que el movimiento del actuador de cadera (14) genere el balanceo de la extremidad, y finalmente una ligera elevation de la misma. La palanca (15) cambia el radio de giro del actuador de cadera (14) y el punto desde donde se realiza el esfuerzo sobre la fijacion de pernera (16).

La alimentation sera preferiblemente por una bateria recargable, de polimero de litio, con una capacidad de 1500 mAh o mayor segun la complejidad del sistema. Cuantas mas ortesis deban estar activas, mas capacidad y potencia puede ser necesaria.

En uso, la version mas completa realiza las siguientes operaciones. Cuando el sensor de presion (9), uno o mas acelerometros, o un boton, indican al procesador (6) que es el momento de elevar la pierna, la ortesis de cadera desbloquea la rodilla moviendo la la pierna, paralelamente al suelo, simultaneamente, el segundo torno (7’) eleva el talon, provocando la semiflexion de la rodilla.

En una segunda fase, el segundo torno (7’), pasa a estar inactivo, y se activa el torno (7), elevando la puntera del pie (en ese momento el pie no esta apoyado en el suelo), a la vez que el actuador de cadera (14) de la ortesis de cadera (cuyo movimiento es continuo), finaliza el balanceo y elevacion de la pierna, provocando que esta se adelante al eje del cuerpo.

Finalmente, en una tercera fase, la ortesis de femur procede a extender la rodilla justo antes del apoyo y el sistema esta listo para reiniciar el paso con la pierna contraria.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

   1- Sistema de asistencia motorizado caracterizado por que comprende una ortesis tibial con:

   - una sujecion tibial (1) que cubre la espinilla del usuario;

   - una sujecion de tobillo (2) articulada a la altura del eje del tobillo con;

   - una sujecion plantar (3);

   - un procesador (6) que recibe una senal de activation;

   - una fuente de alimentation;

   y una parte activa seleccionada entre:

   - un soporte (5) de un torno (7), motorizado, de una correa (8) cuyo extremo libre esta fijado al pie, de forma que el torno (7) recoge la correa (8) cuando el pie no esta apoyado en el suelo, todo ello portado en la sujecion tibial (1) - una ortesis de femur formada por una fijacion del muslo (10), situada por encima de la rodilla y por delante del paciente, un actuador de femur inferior (11) unido mediante una correa a la sujecion tibial (1), y un actuador de femur superior (12) fijado mediante otra correa a un arnes o cinturon (13), estando ambos actuadores de femur (11,12) coordinados para recoger o soltar correa en paralelo cuando el pie no esta apoyado en el suelo.

   2- Sistema, segun la reivindicacion 1, cuyo sensor de la position del pie es uno o mas sensores de presion (9) dispuestos en la sujecion plantar (3).

   3- Sistema, segun la reivindicacion 1, cuyo sensor de la posicion del pie es uno o mas acelerometros o giroscopios.

   4- Sistema, segun la reivindicacion 1, cuyo procesador (6) esta igualmente portado en el soporte (5).

   5- Sistema, segun la reivindicacion 1, donde el extremo libre de la correa (8) recogida en el torno (7) esta fijado al pie por un metodo seleccionado entre:

   - un lazo capaz de rodear al pie;

   - un enganche en el zapato

   - un enganche en una prolongation (3’) de la sujecion plantar (3).

   6- Sistema, segun la reivindicacion 1, cuyo soporte (5) posee poleas de derivation de la correa.

   7- Sistema, segun la reivindicacion 1, cuyo torno (7) libera una cantidad regulable de correa.

   8- Sistema, segun la reivindicacion 1, cuyo torno (7) se detiene cuando la resistencia de la correa supera un limite programable.

   9- Sistema, segun la reivindicacion 1, cuya sujecion tibial (1) es una espinillera.

   10- Sistema, segun la reivindicacion 1, donde la sujecion del tobillo (2) y la sujecion plantar (3) estan constituidas por una tobillera articulada.

   11- Sistema, segun la reivindicacion 1 y con la ortesis de femur, que comprende ademas una ortesis de cadera formada por un arnes o cinturon que sostiene un actuador de cadera (14), configurado para disponerse proximo a la cadera del usuario, que mueve una palanca (15) cuyo extremo esta configurado para unirse al muslo del usuario

   12- Sistema de asistencia motorizado caracterizado por que comprende una ortesis de cadera formada por un arnes o cinturon que sostiene un actuador de cadera (14), configurado para disponerse proximo a la cadera del usuario, que mueve una palanca (15) cuyo extremo esta configurado para unirse al muslo del usuario mediante una correa.

   13- Sistema, segun la reivindicacion 1, cuyo procesador (6) recibe la senal de activation de un sensor de la posicion del pie que detecta si esta apoyado en el suelo.

   14- Sistema, segun la reivindicacion 1, cuya ortesis de tibia comprende un segundo torno (7’) unido al talon del pie por una correa trasera (8’).

   15- Sistema de asistencia motorizado caracterizado por que comprende una ortesis de cadera formada por un arnes o cinturon que sostiene un actuador de cadera (14), configurado para disponerse proximo a la cadera del usuario, que mueve una palanca (15) cuyo extremo esta configurado para unirse al muslo del usuario mediante una correa.