ES2773112A1 - Sistema robotizado portatil para la rehabilitacion funcional asistida de articulaciones - Google Patents

Sistema robotizado portatil para la rehabilitacion funcional asistida de articulaciones Download PDF

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ES2773112A1
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Pereira Xabier Justo
Garmendia Inaki Diaz
Isoird Carlos Fernandez
Prado Juan Antonio Martin
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Gogoa Mobility Robots S L
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Abstract

Sistema robotizado portátil para la rehabilitación funcional asistida de articulaciones, con un grado de libertad de los que constan de un actuador compuesto por un motor (12) del que sobresale un vástago (v) concéntrico con el eje de giro (e2) del motor (12), uniéndose dicho vástago (v) a la barra superior (21a) y una polea (113) unida concéntricamente al disco de giro central (25), un cable (111) arrollado en la polea (113) por uno de sus extremos, uniéndose dicho cable (111) por su otro extremo al vástago (v) del motor (12) siendo el diámetro de la polea (d2) mucho mayor que el diámetro del vástago (d1).

Description

DESCRIPCIÓN
SISTEMA ROBOTIZADO PORTATIL PARA LA REHABILITACION FUNCIONAL ASISTIDA DE
ARTICULACIONES
Objeto de la invención
El objeto del invento se refiere a un sistema robotizado portátil para la rehabilitación funcional asistida de articulaciones, con un grado de libertad.
Más en particular, el objeto del invento se refiere a un sistema robotizado portátil, con un grado de libertad utilizado para la rehabilitación de las lesiones de rodilla, que puede ser utilizado para la asistencia al movimiento durante la marcha natural del paciente.
Antecedentes de la invención
En el actual estado de la técnica ya se conocen los denominados "sistemas de Rehabilitación Asistida Robótica" (RAR) empleados en la rehabilitación clínica de pacientes con diferentes tipos de lesiones ya sean éstas consecuencia de accidentes o de daños cerebrales adquiridos.
Los sistemas RAR son equipos mecatronicos, que integran accionamientos, transmisión mecánica, electrónica, sensores y algoritmos de control. Un elemento clave en los sistemas robóticos de rehabilitación es el sistema reductor para la transmisión mecánica.
Problema técnico a resolver
El principal problema planteado en las soluciones técnicas conocidas radica en los sistemas de reducción, que es la dificultad de operarlos en el sentido contrario (de ahí la denominada cualidad de reversibilidad). Esto se debe al gran rozamiento existente entre las piezas que conforman el sistema. Además de esta cualidad de reversibilidad hay otros requisitos:
• Deben ser fácilmente escalable entre distintos pacientes. El ajuste a la pierna o al brazo del equipo se realizará mediante correas (órtesis) de tipo velero, que resulten fácilmente sirva para distintas alturas de paciente. De esta forma, un solo diseño dará cabida a cualquier tipo de paciente, independientemente del peso y de su altura.
• Debe permitir un nivel de asistencia variable: siendo mayor al principio de la rehabilitación, y disminuyendo a medida que el paciente recupera sus capacidades.
Descripción de la invención
El objeto del invento es un sistema robotizado portátil para la rehabilitación funcional asistida de articulaciones, con un grado de libertad..
El sistema objeto del invento asiste al paciente solo cuando y donde lo necesite; de manera inteligente mediante un control adecuado.
El sistema robotizado objeto del invento se caracteriza porque consta de:
• Un actuador eléctrico (motor sin escobillas)
• Un sistema de transmisión mecánica por cable
• Ortesis de sujeción del paciente al dispositivo
• Electrónica de control
• Sensores
• Batería
• Software de control
• Protecciones
Por lo tanto, el sistema robótico de rehabilitación se trata de un sistema portable, aplicable a una articulación, con un accionamiento eléctrico, una transmisión mecánica por cable, las adecuadas ortesis para su sujeción a diferentes pacientes, y los sistemas electrónicos y algoritmos de control necesarios para ofrecer un nivel de asistencia variable, según lo necesite el paciente.
Para poder cumplir con los requisitos, se ha introducido como mecanismo de actuación la transmisión por cable. Una transmisión por cable se puede entender como una combinación de la transmisión por correa y por banda. Un cable arrollado sobre una polea transmite el movimiento por fricción. Con esta transmisión, el rango de movimientos es limitado, pero considerablemente mayor que con la de banda. La elección de transmisiones que utilizan elementos de tensión como cables, correas o bandas son particularmente adecuadas cuando se necesitan altas prestaciones, particularmente las que utilizan cables o bandas metálicas. Cuando se diseñan de forma adecuada, este tipo de transmisiones pueden comunicar un elevado esfuerzo, siendo muy rígidas y ligeras. También se caracterizan por no tener holgura y nula o muy baja fricción. Además, en general no tienen fugas, no necesitan lubricación y pueden ser guiadas a lo largo de grandes distancias y a través de geometrías complejas.
Frente a estos sistemas, la transmisión por cable presenta una serie de ventajas:
Sin holgura.
Baja fricción.
Alta precisión.
Suavidad de funcionamiento.
Elevada rigidez.
Bajo coste.
Elevado rendimiento.
Prácticamente sin mantenimiento.
Prestaciones invariantes con el uso.
No requieren lubricación.
Adecuada para bajas y elevadas cargas.
Silenciosas.
Pueden funcionar bajo el agua.
Suficientemente limpias para su uso en entornos exigentes: médicos, farmacéuticos, alimentación, microelectrónica,...
Principalmente su suavidad de funcionamiento, baja inercia, alta rigidez, baja fricción y alto ancho de banda hacen de ellas una de las mejores opciones de cara a diseñar sistemas mecánicos de elevadas prestaciones con un alto grado de reversibilidad.
Este tipo de transmisión permite obtener desmultiplicaciones muy grandes sin perder la reversibilidad. Esta cualidad es muy importante, ya que el dispositivo pretende asistir al paciente en un porcentaje, es decir, que a medida que el individuo se rehabilita la asistencia decaerá del 100% a 0% de forma progresiva. Lo que implica que el mecanismo introducido en el dispositivo debe ser “transparente” para el paciente, o lo que es lo mismo, reversible. La contrapartida a esta propiedad es que el sistema crece a medida que aumenta la reducción, por lo que hay que buscar un compromiso entre la reducción necesaria y la dimensión del accionamiento, dentro de un modelo compacto.
Otras configuraciones y ventajas de la invención se pueden deducir a partir de la descripción siguiente, y de las reivindicaciones dependientes.
Descripción de los dibujos
Para comprender mejor el objeto de la invención, se representa en las figuras adjuntas una forma preferente de realización, susceptible de cambios accesorios que no desvirtúen su fundamento. En este caso:
La figura 1 representa un esquema general del sistema robotizado para la rehabilitación funcional asistida de articulaciones objeto del invento, con sus componentes básicos integrantes.
La figura 2 representa una visión más cercana del actuador (1) y sus diferentes componentes básicos integrantes
La figura 3 representa una sección lateral del actuador y sus diferentes componentes donde se ven como encajan y la relación de posición que hay entre ambos ejes de giro.
Descripción detallada de una realización preferente
Se describe a continuación un ejemplo de realización práctica, no limitativa, del presente invento. No se descartan en absoluto otros modos de realización en los que se introduzcan cambios accesorios que no desvirtúen su fundamento.
De conformidad con la invención, el sistema robotizado para la rehabilitación funcional asistida de articulaciones consta, como mínimo, de:
- un actuador (1);
- una ortesis (2);
- sensores (3);
- electrónica de control (4);
- algoritmo de control (5); y
- una fuente de alimentación (6).
La ortesis (2) se emplea para sujetar el equipo al paciente. En un ejemplo de realización representado, incluye, como mínimo, sendas barras de estructura (21a), (21b) montadas con posibilidad de girar en torno al actuador (1); y sendas bridas (22a), (22b), asociadas cada una a la respectiva barra de estructura (21a), (21b).
El dispositivo presenta un punto de giro central donde va el actuador, con sendas barras de aluminio u otro material, planas que emergen del disco central (25). De esta forma se pretende trasmitir el par generado en el accionamiento a la mayor distancia posible con el fin de reducir la fuerza ejercida sobre los puntos donde se ancla el sistema
El sistema está pensado para regularse en su parte inferior, de tal forma que sólo es necesario realizar un ajuste para adaptar la prótesis a distintas personas. Ese ajuste se realiza aflojando dos tornillos (24) de mano (no es necesario el uso de ningún tipo de herramienta), deslizando la parte inferior y volviendo a apretar sendos tornillos. El deslizamiento de ambas partes se consigue mediante un ajuste del tornillo (24) en el acanalado de la parte inferior y un ajuste de longitud de la barra que está sujeta al punto de giro
En cuanto al amarre, se han diseñado dos piezas que hacen un efecto pinza para abrazar tanto la parte anterior como la posterior de la articulación. Junto con estas piezas se plantea sujetar al paciente con unas tiras de velero que mantengan las piezas unidas. Esto es debido a que las tiras de velero permiten un rango y flexibilidad para poderse ajustar a cualquier tipo de pierna, mientras que las pinzas de plástico permiten ejercer fuerza sobre el paciente y repartir toda esa fuerza en toda el área de la pinza.
En el punto de giro, la barra superior (21a), que sujetaría el muslo, se une de forma solidaria al disco central (25), que haría las veces de referencia para el giro. La barra inferior (21b), en cambio, estaría apoyada en dos rodamientos radiales que permitirían su giro respecto al disco central (25). Para limitar el movimiento descontrolado de la barra inferior, ésta se precarga con dos arandelas de presión (16), creando un empaquetado. De esta forma el movimiento de la barra es de giro únicamente. Por último, se puede ver que la propia carcasa sirve de tope mecánico para limitar el giro máximo y mínimo, de esa manera se evita depender puramente del control del accionamiento.
El actuador (1) está compuesto por:
a) un motor (12) del que sobresale un vástago (v) concéntrico con el eje de giro (e2) del motor (12), uniéndose dicho vástago (v) a la barra superior (21a)
b) una polea (113) unida concéntricamente al disco de giro central (25), un cable (111) arrollado en la polea (113) por uno de sus extremos, uniéndose dicho cable (111) por su otro extremo al vástago (v) del motor (12) siendo el diámetro de la polea (d2) mucho mayor que el diámetro del vástago (d1).
La relación de diámetros entre la polea (113) y el vástago (v) del motor (12) es de 8:1, o similar.
El motor (12) se sujeta sobre la barra superior (21a) mediante una pieza de unión (123) que posee el centro vacío para que entre el vástago (v) y uno de los lados abierto para que pueda unirse el cable (111) al vástago (v).
Así mismo el actuador (1) ejerce la función de coadyuvante de la correspondiente articulación del miembro a rehabilitar. En un ejemplo de realización, el actuador (1) incluye, por ejemplo, motor (11) de tipo Maxon EC-90flat de 260W, sin escobillas.
Los sensores (3) son capaces de medir la posición angular, velocidad, fuerza y par de interacción entre el actuador (1) y el miembro a rehabilitar. Controlan tanto la velocidad y posición como la fuerza.
En un ejemplo de realización, se pueden usar un encoder absoluto, tres sensores de efecto Hall y cuatro galgas de fuerza que permiten medir parámetros donde los sensores de efecto Hall se usan para el control del motor, el encoder magnético absoluto para el control de la posición y las galgas extensométricas para medir la fuerza de interacción entre paciente y dispositivo.
La electrónica de control (4), es capaz de recoger la medida de los sensores (3) y realizar específicamente el control en tiempo real. Por ello es necesario una placa de control principal, una placa de control de la articulación y otra para recoger la medida de los sensores, diseñadas específicamente para el control en tiempo real del sistema
El algoritmo de control (5) para asistencia en marcha tiene en cuenta el par de interacción entre el paciente y el actuador (1) con el fin de producir una referencia adaptativa para la asistencia de la marcha.
Podrán ser variables los materiales, dimensiones, proporciones y, en general, aquellos otros detalles accesorios o secundarios que no alteren, cambien o modifiquen la esencialidad propuesta.
Los términos en que queda redactada esta memoria son ciertos y fiel reflejo del objeto descrito, debiéndose tomar en su sentido más amplio y nunca en forma limitativa.

Claims (3)

  1. REIVINDICACIONES
    1 Sistema robotizado portátil para la rehabilitación funcional asistida de articulaciones, con un grado de libertad de los que constan de:
    a) un actuador (1) coadyuvante de la correspondiente articulación del miembro a rehabilitar;
    b) una ortesis (2) se emplea para sujetar el equipo al paciente, la ortesis (2) presenta un disco de giro central (25) con sendas barras de estructura, superior (21a) e inferior (21b) montadas con posibilidad de girar en torno al eje de giro (e1); y sendas bridas (22a), (22b), asociadas cada una a la respectiva barra de estructura (21a), (21b).
    c) unos sensores (3) capaces de medir los parámetros;
    d) una electrónica de control (4),
    Caracterizado porque: el actuador (1) está compuesto por:
    c) un motor (12) del que sobresale un vástago (v) concéntrico con el eje de giro (e2) del motor (12), uniéndose dicho vástago (v) a la barra superior (21a)
    d) una polea (113) unida concéntricamente al disco de giro central (25), un cable (111) arrollado en la polea (113) por uno de sus extremos, uniéndose dicho cable (111) por su otro extremo al vástago (v) del motor (12) siendo el diámetro de la polea (d2) mucho mayor que el diámetro del vástago (d1).
  2. 2. - Sistema robotizado, según reivindicación 1, caracterizado porque la relación de diámetros entre la polea (113) y el vástago (v) del motor (12) puede ser de 8:1 o similar.
  3. 3. - Sistema robotizado, según reivindicación 1, caracterizado porque el motor (12) se sujeta sobre la barra superior (21a) mediante una pieza de unión (123) que posee el centro vacío para que entre el vástago (v) y uno de los lados abierto para que pueda unirse el cable (111) al vástago (v).
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