ES2819323B2 - Sistema para la realizacion de pruebas de exoesqueletos en un entorno controlado - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

SISTEMA PARA LA REALIZACIÓN DE PRUEBAS DE EXOESQUELETOS EN UN

ENTORNO CONTROLADO

Campo de la invención

La presente invención se engloba dentro del campo de los exoesqueletos industriales, y más en concreto en los sistemas para realizar pruebas de funcionamiento de exoesqueletos en espacios de trabajo limitados, con objeto de seleccionar el exoesqueleto que mejor se adapte a un puesto de trabajo concreto.

Antecedentes de la invención

En la actualidad, los trabajadores de la industria manufacturera que trabajan de pie con un horario de trabajo fijo durante un período prolongado a menudo tienen problemas de rodilla y espalda, lo que limita su trabajo y calidad de vida. La reducción del tiempo de trabajo de pie es uno de los objetivos principales de la industria. En el pasado, hay varias formas en que la industria trata este problema. Por ejemplo, la rotación laboral es una práctica común en la industria manufacturera. A pesar de todas estas medidas, todavía hay muchas estaciones de trabajo con el mismo problema.

Las afecciones musculoesqueléticas se agravan en los puestos de trabajo donde los operadores deben moverse en espacios estrechos. Por ejemplo, en el caso de la industria aeronáutica, el montaje de asientos en el avión es una tarea complicada ya que se requiere mucho esfuerzo por parte del trabajador para moverse entre los espacios estrechos y requiere mucho tiempo para armar el asiento. En el caso de fabricación de automóviles, los operarios trabajan a menudo dentro o alrededor de la cabina del automóvil. Debido a los requisitos de espacio y la optimización de los procesos en las líneas de fabricación, los trabajadores trabajan en espacios concisos con vehículos de guiado automático, carretillas elevadoras y carros de herramientas. Algo similar también ocurre en el proceso de fabricación de barcos.

Recientemente, la aparición de la tecnología del exoesqueleto intenta ayudar a los trabajadores a paliar estos problemas y reducir las enfermedades musculoesqueléticas. La industria del exoesqueleto se puede dividir en cuatro categorías: industrial, médica, militar y comercial. Hoy en día, las estadísticas muestran que la tecnología de exoesqueleto industrial consta de más de 60 soluciones dirigidas a hombros, tronco, brazos, manos y piernas. Una cuarta parte de la tecnología total del exoesqueleto corresponde al exoesqueleto de la pierna. En términos de actuación, la tecnología del exoesqueleto de la pierna es 77% activa y 23% pasiva. Hasta ahora, la implementación de esta tecnología es limitada debido al impacto no comprobado de estos dispositivos en el trabajador, la falta de procedimientos de entrenamiento, la incertidumbre en los casos de uso previstos, la brecha entre las necesidades de casos de uso y las especificaciones del dispositivo, la ausencia de regulaciones de seguridad y el coste.

La evaluación comparativa del exoesqueleto industrial es un concepto nuevo. Los autores del documento [1] presentan la urgencia de la evaluación comparativa y los métodos de prueba para los exoesqueletos industriales, aportando su experiencia en pruebas de robótica industrial y de respuesta, sugiriendo métodos de prueba. Un ejemplo de método de prueba se toma del borrador de trabajo F45.02 WK48955 (relativo a métodos de prueba con barreras físicas y virtuales que definen espacios de prueba para vehículos autónomos terrestres) para poder evaluar las capacidades de navegación del exoesqueleto, presentando un método apropiado para la navegación a través de curvas, pero que carece de la flexibilidad y adaptabilidad para probar casos de uso industrial.

Un aspecto importante de la evaluación comparativa es conectar diferentes escenarios para completar una tarea determinada. Por ejemplo, trabajar en espacios estrechos puede requerir pasar de estar sentado a ponerse de pie, y viceversa. Este aspecto se ha estudiado en forma de desafíos en robótica médica portátil en Cybathlon [2]. Sin embargo, no existe tal desafío en el área de la tecnología del exoesqueleto industrial.

El proceso actual de implementación de un exoesqueleto industrial en una fábrica requiere la ejecución de una serie de pasos para confirmar la idoneidad del dispositivo para el lugar de trabajo. Esto incluye una primera fase de selección del exoesqueleto, una segunda fase de pruebas de laboratorio, una tercera fase de pruebas en escenarios simulados y, finalmente, una cuarta fase de verificación en línea. Esto implica largos tiempos de prueba y de participación de los usuarios finales, entre otros problemas.

Por tanto, la tecnología de prueba actual de los exoesqueletos requiere mucho esfuerzo en términos de tiempo y recursos, pero en la práctica no existe una norma y regulación individual que respalde este proceso. Por ejemplo, el tiempo empleado desde la fase de selección hasta la fase de implementación de un exoesqueleto industrial en una planta de fabricación de automóviles puede llevar más de 500 horas de trabajo, lo cual es un gran esfuerzo en términos de recursos y costos generales. Desafortunadamente, este coste en las pruebas realizadas hasta su implementación es soportado por los usuarios finales, además del coste de los dispositivos, lo cual puede provocar la pérdida de interés de la industria en la tecnología de los exoesqueletos y, por tanto, dañar el impacto general de esta tecnología en la mejora de la calidad del trabajo de los trabajadores.

Además, en las pruebas actualmente realizadas con los exoesqueletos para comprobar su adecuación a un puesto de trabajo, existen otros problemas adicionales además del largo tiempo de pruebas y el elevado coste de las mismas. Por ejemplo, no existe una medición del impacto a largo plazo del exoesqueleto, ni unas mediciones objetivas que permitan probar la certificación del exoesqueleto al puesto de trabajo.

Se hace necesario por tanto un sistema que permite evaluar, de una manera rápida, sencilla, versátil, lo más rigurosa y objetiva posible, y fuera de las instalaciones del usuario final, el impacto e idoneidad de los exoesqueletos industriales en diferentes puestos de trabajo, especialmente en aquellos con espacio de movimiento reducido.

Referencias

[1] R. Bostelman and T. Hong, "Test Methods for Exoskeletons-Lessons Learned from Industrial and Response Robotics.”

[2] R. Riener and L. J. Seward, "Cybathlon 2016,” in 2014 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC), 2014, pp. 2792-2794.

Descripción de la invención

La invención se refiere a un sistema automático que tiene como objeto la realización de pruebas de exoesqueletos industriales en un entorno controlado. El sistema permite reducir el tiempo de prueba mediante el uso de una máquina o banco de pruebas adaptado para replicar espacios de trabajo limitados donde el operario se mueve en espacios estrechos.

El banco de pruebas proporciona una plataforma apta para validar y verificar los casos de uso relacionados con la navegación de operarios equipados con exoesqueletos en espacios estrechos con obstáculos, en los cuales durante la realización de las tareas el operario puede caminar, sentarse, ponerse de pie, inclinarse mientras se está de pie o sentado, etc.

El banco de pruebas ofrece una plataforma para probar rigurosamente diferentes casos de uso de los exoesqueletos fuera de las instalaciones del usuario final, de forma que el exoesqueleto se pueda implementar en la industria con confianza. De esta forma, el sistema es una herramienta para que el sector industrial seleccione rápidamente la mejor tecnología de exoesqueleto para una estación de trabajo, ahorrando tiempo y costos.

El sistema permite sustituir las fases iniciales de pruebas de laboratorio y de pruebas en escenarios simulados por una única fase de pruebas en una máquina o banco de pruebas. De esta forma, el banco de pruebas aplicado para un caso de uso con movimiento en espacios estrechos permite reducir el tiempo de prueba hasta en un 30% desde la fase de selección hasta la fase de implementación de un exoesqueleto industrial.

El banco de pruebas simula la marcha en líneas de montaje industriales, trabajando con obstáculos y montaje en espacios estrechos. El sistema comprende paredes y obstáculos móviles y sensorizados que son adecuadas para simular rápidamente el caso de uso industrial. La posición de una de las paredes es controlada con la ayuda de un actuador, ya sea lineal (e.g., cilindro/s) o rotacional (e.g., motor/es), que produce un movimiento de traslación de las partes móviles del sistema, mientras que la otra pared tiene una posición definida en el escenario y a partir de esta pared se pueden referenciar el resto de elementos del sistema. El suelo del banco de pruebas es reemplazable para poder probar diferentes superficies. Este tipo de escenario permite simular casos de uso en el campo de la automoción, aeronáutica, construcción y mantenimiento, entre otros sectores industriales.

El sistema comprende una unidad de control, sensores, actuadores y una interfaz de usuario para configurar rápidamente y de manera automática las pruebas y los casos de uso.

El sistema propuesto tiene como objetivo el análisis y la simulación de diferentes escenarios y entornos de trabajo. El sistema incorpora en las paredes sensores de fuerza o células de carga que permiten la adquisición de datos biométricos para su posterior estudio. Las células de carga operan tanto a tracción como a compresión, y se incorporan en cada uno de los paneles sensorizados que conforman las paredes, preferentemente en el centro de cada uno de los paneles.

La unidad de control puede regular la distancia entre la pared fija y la pared móvil, posicionando a la estructura móvil con respecto a la estructura fija en cualquier punto comprendido entre un límite máximo y un límite mínimo del recorrido de la máquina. Este movimiento controlado de la estructura móvil permite la generación de diferentes escenarios de simulación en función de la distancia entre las paredes y los obstáculos incorporados en el interior del espacio de trabajo.

Breve descripción de los dibujos

A continuación, se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.

La Figura 1 ilustra, de acuerdo a una realización, una vista general del sistema para la realización de pruebas de exoesqueletos.

La Figura 2 representa una vista detallada de los elementos incorporados en cada panel sensorizado.

La Figura 3 muestra los elementos responsables del movimiento de la estructura móvil.

Las Figuras 4A a 4C muestran el sistema en tres posiciones diferentes de funcionamiento: posición abierta (Figura 4A), posición cerrada (Figura 4B), posición intermedia (Figura 4C).

Las Figuras 5A a 5C representan la modularidad del sistema: una prueba con un único módulo central en la estructura móvil (Figura 5A), un módulo central y un módulo lateral (Figura 5B), un módulo central y dos módulos laterales en cada lado (Figura 5C).

La Figura 6 muestra el perímetro de seguridad del sistema.

La Figura 7 representa un escenario de simulación.

Las Figuras 8A y 8B muestran dos vistas de un operador equipado con un exoesqueleto de pierna.

La Figura 9 ilustra una posible arquitectura de control del sistema.

Descripción detallada de la invención

La presente invención se refiere a un sistema para la realización de pruebas de exoesqueletos en un escenario de movimiento en espacios reducidos. El sistema se basa en una máquina o banco de pruebas que dispone de una estructura fija y una estructura móvil cuyo desplazamiento se realiza mediante un mecanismo que permite un movimiento de traslación de la estructura móvil.

En la Figura 1 se ilustra, de acuerdo a una realización, los elementos que componen el sistema 1. El sistema 1 comprende una estructura fija 2 y una estructura móvil 3. La estructura fija 2 comprende un bastidor fijo 4 que soporta una pared fija 5. El bastidor fijo 4 apoya en el suelo a través de uno o varios apoyos 6.

La estructura móvil 3 dispone a su vez de un bastidor móvil 7 y una pared móvil 8 unida al bastidor móvil 7. Ambas estructuras (2, 3) están dispuestas de tal forma que la pared móvil 8 queda enfrentada a la pared fija 5. Una base horizontal 9 queda dispuesta debajo de ambas paredes (5, 8), haciendo las funciones de suelo de la máquina en el cual apoyará un operador equipado con un exoesqueleto durante la realización de las pruebas. La base horizontal 9 puede incluir una superficie superior de apoyo reemplazable para poder probar diferentes superficies de apoyo.

La pared fija 5, la pared móvil 8 y la base horizontal 9 definen un espacio de trabajo abierto de dimensiones reducidas donde se realizarán las pruebas con el exoesqueleto. En el espacio de trabajo se disponen obstáculos (implementados por ejemplo mediante barras telescópicas 10), los cuales permiten definir con precisión un entorno controlado de trabajo.

Un dispositivo de desplazamiento 11 es el mecanismo encargado de producir el desplazamiento o movimiento M de la estructura móvil 3 para posicionar a la pared móvil 8 a una distancia determinada de la pared fija 5.

Tanto lo pared fija 5 como la pared móvil 8 están formada por uno o varios paneles sensorizados 12. En el ejemplo mostrado en la Figura 1, ambas paredes (5, 8) comprenden tres paneles sensorizados 12 dispuestos en línea, uno a continuación del otro. Cada panel sensorizado 12 comprende a su vez un módulo de amortiguación y una célula de carga 13.

La célula de carga 13 está unida al bastidor correspondiente (bastidor fijo 4 o bastidor móvil 7, en función de la pared a la que pertenezca el panel sensorizado 12) en la parte central del panel sensorizado 12. La célula de carga 13 es un sensor de fuerza configurado para medir una fuerza aplicada sobre el panel sensorizado 12 en dirección perpendicular al mismo, ya sea una fuerza de compresión (comprimiendo el panel sensorizado 12 hacia el bastidor) o una fuerza de tracción (tirando del panel sensorizado 12 para alejarlo del bastidor).

El módulo de amortiguación está formado por uno o varios elementos de amortiguación 14 unidos al bastidor correspondiente y que permiten un movimiento amortiguado del panel sensorizado 12 en dirección perpendicular a la superficie del panel sensorizado 12, ya sea en movimiento de compresión (hacia el bastidor) o en movimiento de tracción (alejándose del bastidor). El módulo de amortiguación permite limitar el movimiento máximo a compresión y a tracción del panel sensorizado 12 en dirección perpendicular al panel sensorizado 12. De acuerdo a la realización mostrada en la Figura 1, el módulo de amortiguación comprende cuatro elementos de amortiguación 14 ubicados en las esquinas del panel sensorizado 12, equidistantes a la célula de carga 13, para una mejor distribución de las fuerzas.

Los obstáculos ubicados en el interior de la máquina, necesarios para la realización de las pruebas, pueden ser colocados en las siguientes disposiciones:

- Dispuestos entre la estructura fija y móvil de manera que se adapten a la distancia que hay entre ambas.

- Dispuestos en el suelo de la máquina con dimensiones diferentes si las condiciones del ensayo así lo requieran.

- Dispuestos en la estructura fija y/o móvil.

Los obstáculos 10 se pueden implementar, tal y como se representa en el ejemplo de la Figura 1, mediante una barra telescópica 10 dispuesta horizontalmente entre ambas paredes, de forma que la barra telescópica 10 queda fijada en un primer extremo, mediante una primera placa de unión 15, a la pared fija 5 y en un segundo extremo, mediante una segunda placa de unión 16, a la pared móvil 8. De esta forma, los obstáculos no solo se colocan fácilmente en el espacio de trabajo (por ejemplo, atornillados a las paredes) sino que además se adaptan de forma automática y continua a la profundidad del espacio de trabajo (i.e. a la distancia de separación d entre las paredes).

El sistema también comprende una unidad de control 43 o controlador, preferentemente basado en procesador, que se encarga de la recogida en tiempo real de datos de los sensores dispuestos en la máquina y del control de los actuadores de la máquina. La unidad de control 43 también se puede encargar de verificar las seguridades durante la realización de la prueba. La unidad de control 43 puede ir incluida en el interior de un armario eléctrico 39 con una interfaz de usuario 42, implementada por ejemplo mediante una pantalla táctil para configurar e interactuar con la unidad de control. La unidad de control 43 envía los datos capturados por los sensores de la máquina (incluyendo al menos los datos de la célula de carga 13) a un servidor 44, el cual puede estar ubicado en la propia instalación donde se ubica la máquina (implementado por ejemplo mediante un ordenador o un portátil ubicado en el puesto de control 49, según se representa en la Figura 1, que recibe los datos de forma inalámbrica o por cable) o en una instalación remota (el envío de datos realizándose en ese caso a través de Internet o cualquier otra forma conocida de comunicación remota de datos).

Para facilitar la fijación de las barras telescópicas 10 a las paredes, cada panel sensorizado 12 puede tener practicado una pluralidad de orificios 17 a diferentes alturas y anchuras del panel sensorizado 12, por ejemplo, distribuidos homogéneamente en filas y columnas, tal y como se muestra en la Figura 2, la cual representa un panel sensorizado 12 (ya sea unido al bastidor fijo 4, como aparece en la figura, o al bastidor móvil 7) con algunos de sus elementos ampliados. Los orificios 17 permiten el atornillado de las placas de unión (15, 16) en una posición determinada del panel sensorizado 12. De esta forma, los obstáculos se pueden ubicar a diferentes alturas y anchuras del área de trabajo (considerando altura y anchura en el espacio de trabajo como las dimensiones vertical y horizontal en el plano definido por los paneles de una pared, y estando la profundidad del espacio de trabajo 36 definida por la distancia de separación d entre la pared fija 5 y la pared móvil 8).

El panel sensorizado 12 dispone de un subsistema para la medición de fuerzas y contactos, el cual comprende el módulo de amortiguación y al menos una célula de carga 13. Cada uno de los paneles sensorizados 12 que forman parte del sistema 1 se conecta con el bastidor (4, 7) de la estructura correspondiente (ya sea la estructura fija 2 o la estructura móvil 3) por medio del módulo de amortiguación. La función principal del módulo de amortiguación es limitar el desplazamiento máximo admisible de la célula de carga 13 tanto a compresión como a tracción, a través de unos topes mecánicos. Los elementos de amortiguación 14 que componen el módulo de amortiguación son elementos mecánicos elásticos que pueden operar tanto a tracción como a compresión, ejerciendo una fuerza contraria a la fuerza registrada por la célula de carga 13 de acuerdo a la expresión formulada en la ley de Hooke F= -K x. Dicha fuerza es compensada en la medición de la célula de carga 13 para no falsear la cuantificación de la misma. Los elementos de amortiguación 14 protegen la célula de carga 13 ante una solicitación que supere la capacidad de dicho sensor.

El módulo de amortiguación y la célula de carga 13 pueden ser dispuestos en diferentes configuraciones en la estructura y los paneles. De acuerdo a la realización mostrada en la Figura 2, los elementos de amortiguación 14 se localizan en las cuatro esquinas del panel sensorizado 12. En otra realización, el subsistema para la medición de fuerzas y contactos no dispone de módulo de amortiguación, de forma que la célula de carga 13 registra la fuerza de compresión o tracción medida de forma directa, asumiendo la totalidad de la carga. El sistema puede comprender varias células de carga 13 repartidas por el panel sensorizado 12. Por ejemplo, cada panel sensorizado 12 puede disponer de cuatro células de carga 13 repartidas en las esquinas de cada panel sensorizado 12.

El panel sensorizado 12 también se conecta con la estructura rígida del bastidor (4, 7) a través de la célula de carga 13, responsable de la medición de la fuerza F aplicada a compresión o a tracción sobre el panel sensorizado 12. Dicha fuerza F puede ser generada por la interacción directa (e.g. presión) del operador del exoesqueleto con el panel sensorizado 12, o indirectamente por la interacción con la barra telescópica 10 (e.g. un golpe). La célula de carga 13 se encuentra ubicada en el centro de cada uno de los paneles sensorizados 12 que componen el sistema 1, de forma que los elementos de amortiguación 14 quedan repartidos de forma equidistante respecto a la célula de carga 13, logrando de esta forma una distribución de fuerzas óptima. La célula de carga 13 incorpora un sensor de fuerza cuya función es el registro y la cuantificación de fuerzas de compresión y de tracción aplicadas sobre el panel sensorizado 12. El sensor de fuerza lleva asociado un elemento transductor que recibe energía de naturaleza mecánica y la convierte en una señal eléctrica cuyas características dependen de la naturaleza de la energía aplicada. Esta señal eléctrica se envía amplificada tanto en tensiones como en corrientes normalizadas. La comunicación entre el elemento transductor de la célula de carga 13 y la unidad de control se realiza a través de cables.

Cada panel sensorizado 12 también comprende una o varias ruedas de apoyo 18 dispuestas en la parte inferior del panel sensorizado 12. De acuerdo a la realización de la Figura 2, el panel sensorizado 12 dispone de 2 ruedas de apoyo situadas próximas a las esquinas inferiores del panel sensorizado 12. Las ruedas de apoyo 18 contactan con la base horizontal 19 para soportar la mayor parte del peso del panel, para minimizar los esfuerzos en la dirección vertical sufridos por la célula de carga 13 y los elementos de amortiguación 14. Las ruedas de apoyo 18 están fijadas al panel sensorizado 12 a través de un soporte 19 atornillado al panel sensorizado 12, con una disposición y orientación que permite el movimiento del panel sensorizado en dirección perpendicular al panel sensorizado (ya sea en movimiento de compresión o de tracción).

La Figura 3 ilustra el dispositivo de desplazamiento 11 y los elementos responsables de la transmisión de potencia que permiten producir el movimiento bidireccional de la estructura móvil 3, aumentando o disminuyendo la distancia de separación entre la estructura fija 2 y la estructura móvil 3. El dispositivo de desplazamiento 11 comprende uno o varios motores 20 que, mediante su activación, producen el giro de una o varias ruedas motrices 21 en contacto con uno o varios carriles guía 22, generando de esta forma el desplazamiento lineal de la estructura móvil 3 a lo largo de los carriles guía 22. Los carriles guía 22 están preferentemente orientados en la dirección perpendicular a los paneles sensorizados 12.

En una realización, la base horizontal 9 forma parte de la estructura móvil 3. En concreto, tal y como se muestra en las figuras, la base horizontal 9 es solidaria al bastidor móvil 7. El bastidor móvil 7 tiene forma de escuadra, con una rama vertical para la fijación del panel sensorizado 12 y una rama horizontal para la sustentación de la base horizontal 9. A su vez, el bastidor móvil 7 es solidario a una base móvil 27 que está en contacto con los carriles guía 22 y es accionada por los motores 20. El bastidor móvil 7 descansa en unas ruedas 26 que contactan con el suelo para facilitar el movimiento de la estructura móvil 3. De esta forma, cuando se activan los motores 20 la base móvil 27 se desplaza conjuntamente con el bastidor móvil 7, la pared móvil 8 y la base horizontal 9. En el ejemplo representado en las figuras se emplean dos motores 20 que garantizan el sincronismo en el avance y retroceso de la estructura móvil 3, evitando posibles desalineaciones durante su recorrido. La presencia de dos motores 20 solidarios a la base móvil 27 y al bastidor móvil 7, equilibra la transmisión de potencia en el sistema durante su movimiento de traslación.

El sistema 1 comprende un sensor de posición 23 incorporado en la base móvil 27 que permite la detección de elementos de material ferromagnético ubicados en los carriles guía 22, en posiciones de desplazamiento límite. Utilizando la información del sensor de posición 23, la unidad de control encargada del control de la posición de la estructura móvil 3 detecta la posición de la base móvil 27 en una posición anterior al límite mínimo y máximo de movimiento de la base móvil 27, con el fin de reducir la velocidad del sistema motorizado antes de completar el recorrido máximo establecido en ambas direcciones. El sensor de posición 23 por tanto es un sensor de detección de la posición límite (máxima y mínima) del bastidor móvil 7 que ordena la disminución de la velocidad de desplazamiento de la estructura móvil 3 antes de completar el recorrido máximo de la estructura móvil 3 establecido en ambas direcciones.

El sistema comprende un sensor final de carrera 24 en los extremos de al menos un carril guía 22 para impedir que la estructura móvil 3 salga fuera de los carriles guía 22. En el ejemplo de la Figura 1, el sensor final de carrera 24 es de varilla, de forma que cuando la base móvil 27 llega a esa posición desplaza la varilla, la cual a su vez activa un interruptor interno. Se pueden emplear sensores final de carrera de otro tipo, como por ejemplo sensores inductivos o sensores fotoeléctricos.

En las Figuras 4A, 4B y 4C se representan tres posiciones genéricas diferentes del recorrido del sistema propuesto, para el caso en que se empleen, como obstáculos, barras telescópicas 10 extendidas entre ambas paredes (5, 8).

En la Figura 4A se ilustra una posición abierta, en la cual las barras telescópicas 10 están extendidas hasta una posición extrema. En esta realización, la longitud máxima de extensión de las barras telescópicas 10 limitan la distancia de separación máxima ómax entre las paredes. Por tanto, el dispositivo de desplazamiento 11 no podrá separar más las paredes (5, 8) para evitar la rotura de algún elementos del sistema (e.g., de los paneles sensorizados 12, de las barras telescópicas 10, del motor 20, etc.).

En la Figura 4B se ilustra una posición cerrada, donde las barras telescópicas 10 están retraídas a una posición límite. En esta realización, la longitud mínima de extensión de las barras telescópicas 10 limitan la distancia de separación mínima ómin entre las paredes. El dispositivo de desplazamiento 11 no puede acercar más las paredes (5, 8) para evitar la rotura de algún elemento del sistema y a su vez proteger al operario con una distancia de separación mínima ómin controlada y segura.

La Figura 4C representa una posición donde las barras telescópicas 10 están extendidas en una posición intermedia. En este caso las paredes (5, 8) se encuentran separadas a una distancia de separación d, determinada entre un límite mínimo ( ^ómin) y un límite máximo (dMAX).

En todo momento una unidad de control del sistema 1 regula, empleando el dispositivo de desplazamiento 11 y el sensor de posición 23, la distancia de separación d entre las paredes, siendo d un parámetro configurable en función del entorno controlado a simular, y de forma que se cumpla dMN < d < dMAx.

La estructura móvil 3 del sistema 1 puede tener un diseño modular, lo cual permite realizar pruebas en entornos de trabajo diferentes, teniendo como parte común un módulo motriz. Las dimensiones generales del sistema correspondiente a la estructura móvil 3 pueden ampliarse añadiendo módulos similares a cada lado del módulo motriz. En base a este requisito, la estructura fija 2 ha de extenderse de acuerdo al número de módulos móviles añadidos.

La Figura 5A muestra la estructura móvil 3 formada por un módulo motriz 30, situado en una posición central con respecto a la estructura fija 2. Dicho módulo motriz 30 integra un primer panel sensorizado 12 y está equipado con el dispositivo de desplazamiento 11 que permite mover la estructura móvil 3. En la Figura 5B se muestra una realización en la que la estructura móvil 3 está formada por el módulo motriz 30 central y un módulo secundario 31 lateral, adyacente y solidario al módulo motriz 30 y que integra un panel sensorizado adicional. En el ejemplo de la Figura 5C se muestra la estructura móvil 3 compuesta por el módulo motriz 30 central y dos módulos secundarios 31, ubicados de forma solidaria a cada lado del módulo motriz 30. Mediante diferentes combinaciones de módulo motriz y módulos auxiliares se pueden modificar fácilmente las dimensiones del entorno de trabajo.

El sistema 1 dispone de una zona de seguridad 32 interior delimitada, tal y como se muestra en la vista en planta de la Figura 6, por unos detectores de presencia 33 (por ejemplo, detectores por infrarrojos PIR) que conforman un subsistema perimetral de seguridad, detectando a cualquier persona u objeto que cruce el perímetro de seguridad 28 delimitado por los detectores de presencia 33 y entre en la zona de seguridad 32. Las dimensiones de la zona de seguridad 32 pueden variar en función de los diferentes escenarios previstos en la realización de los ensayos. La unidad de control 43 del sistema se encuentra ubicada fuera de la zona de seguridad 32 de la máquina, tal y como se muestra en la Figura 1.

El perímetro de seguridad 28 definido en la máquina detecta la entrada de cualquier objeto o persona durante el ajuste de la distancia entre las paredes del sistema. Si se detecta la entrada de un objeto o persona, la unidad de control 43 detiene el proceso de ajuste de las paredes de la máquina, evitando los posibles daños producidos por el contacto de la máquina en movimiento con la persona u objeto que se encuentre en su interior. En el caso de que la persona se encuentre dentro del perímetro de seguridad 28 durante la fase de ajuste de la distancia entre paredes, se disponen de sensores de presencia 37 que detectan la presencia de una persona en las zonas de acceso y salida del espacio de trabajo 36 previsto en la fase de pruebas. Los sensores de presencia 37 son extraíbles y se pueden disponer en diferentes posiciones en los extremos correspondientes a la entrada y salida del espacio de trabajo 36. En la realización mostrada en la Figura 1 los sensores de presencia 37 se incorporan en los paneles sensorizados 12 extremos de la pared fija 5, pero se podrían ubicar en otras posiciones, como en el bastidor fijo 4, en el bastidor móvil 7, en la base horizontal 9 o en los paneles sensorizados 12 extremos de la pared móvil 8.

La regulación de la distancia d entre las paredes del sistema se realiza por medio de un detector de desplazamiento 34 de la estructura móvil, el cual está configurado para obtener medidas relativas al desplazamiento de la estructura móvil 3 con respecto a una posición inicial o a un punto de referencia (por ejemplo, midiendo la distancia L entre el detector de desplazamiento 34 y el bastidor móvil 7), para poder así obtener la posición del bastidor móvil 7 y/o de la pared móvil 8 y, en consecuencia, la distancia de separación d entre las paredes (5, 8). En la realización mostrada en las figuras se emplea un sensor de distancia óptico como detector de desplazamiento 34. Este elemento de medición de distancia se coloca preferentemente a una distancia determinada del módulo central de la estructura móvil 3 (i.e. el módulo motriz 30), por ejemplo en el perímetro de seguridad 28, ya que el módulo central de la estructura móvil es el responsable del movimiento de traslación de la estructura móvil 3, por lo que es un elemento que se encuentra siempre presente independientemente de las distintas uniones entre módulos que se contemplen en la fase de pruebas.

El detector de desplazamiento 34 se dirige hacia un punto determinado del bastidor móvil 7 del módulo central de la estructura móvil 3 y mide la distancia L hasta dicho punto del bastidor móvil 7, comunicando a la unidad de control 43 los datos de avance y retroceso del módulo central. De esta forma la unidad de control determina la posición exacta de la estructura móvil 3 respecto a una referencia establecida que es configurable desde la unidad de control 43.

El detector de desplazamiento 34 de la estructura móvil se puede implementar de otras formas, por ejemplo empleando un encoder acoplado a uno de los motores 20 (lo cual permite medir tanto la distancia como la velocidad de traslación), o utilizando un sensor de distancia capaz de determinar la distancia entre las paredes o entre los bastidores (por ejemplo, un sensor de distancia instalado en la pared fija 5 o en el bastidor fijo 4 que calcule la distancia hasta la pared móvil 8 o el bastidor móvil 7).

Utilizando la información del detector de desplazamiento 34 de la estructura móvil, la unidad de control 43 detecta la posición de la pared móvil 8 con respecto a la pared fija 5, y controla el dispositivo de desplazamiento 11 para posicionar a la pared móvil 8 a una distancia de separación d de la pared fija 5 determinada para la prueba (por ejemplo, determinada a través de la interfaz de usuario 42).

El sistema de la presente invención se puede emplear como un banco de pruebas diseñado para evaluar cualquiera de los siguientes aspectos:

- Diferentes tipos de exoesqueletos, tales como exoesqueletos para la parte inferior, tronco o parte superior del cuerpo del sujeto evaluado.

- Diferentes tipos de tareas, tales como sentarse, agacharse o permanecer de pie en un espacio estrecho.

- Cualquier tipo de antropometría humana.

El espacio de trabajo se configura mediante la posición de la pared móvil 8 y la pared fija 5 del banco de pruebas, entre una posición máxima abierta (Figura 4A) y una posición mínima cerrada (Figura 4B). La Figura 7 representa un ejemplo de aplicación del banco de pruebas, para evaluar el comportamiento en un espacio de trabajo 36 de un exoesqueleto 35 para piernas (mostrado en más detalle en las Figuras 8A y 8B) portado por un operador 38 humano (representado en las figuras esquemáticamente como un robot) que entra por el lado derecho del banco de pruebas, se mueve a través de los obstáculos (barras telescópicas 10) dispuestos en el espacio de trabajo 36 delimitado por las paredes (5, 8) y la base horizontal 9, se sienta con ayuda del exoesqueleto 35 en el banco de pruebas y realiza una tarea de frente a la pared fija 5, si bien la tarea se puede realizar en la pared móvil y/o en la pared fija y/o incluso sin paredes fijas y móviles. Para determinar el instante de inicio de las pruebas, se pueden emplear la señal de detección de un sensor de presencia 37 ubicado a cada lado de la pared fija 5 para la detección de presencia en ambas entradas de la máquina.

El banco de pruebas está diseñado para la simulación de numerosos escenarios y entornos de trabajo. En un ejemplo de prueba mostrado en la Figura 7 se coloca un exoesqueleto 35 en la parte inferior de una persona (operador 38) y se distribuyen obstáculos a lo largo del escenario de pruebas (espacio de trabajo 36). Se mide el comportamiento del exoesqueleto 35 en función de los contactos registrados en las zonas sensorizadas del escenario de pruebas, y en particular en función de los impactos detectados por las células de carga 13 de los paneles sensorizados 12 (detectados en forma de fuerzas de tracción y/o compresión). El número y la cuantificación de los impactos registrados refleja los grados de libertad de movimientos que el exoesqueleto 35 permite a la persona.

El sistema 1 dispone de elementos de control que automatizan los movimientos de la máquina, monitorizan los sensores y garantizan la seguridad dentro de su entorno de operación. En la Figura 9 se muestra, a modo de ejemplo, una arquitectura de control de la máquina. Un conjunto de sensores 40 (e.g., célula de carga 13, sensor de posición 23, sensor de presencia 37, detectores de presencia 33 del subsistema perimetral de seguridad) capturan información que envían a la unidad de control 43 (basada por ejemplo en procesador o microcontrolador), el cual envía instrucciones a unos actuadores 41 (e.g., motores 20) en base a medidas capturadas por los sensores 40 y a los datos de configuración introducidos por un usuario a través de una interfaz de usuario 42, como por ejemplo una pantalla táctil empleada para monitorizar y configurar la máquina. Los datos de configuración pueden incluir, entre otros, la distancia de separación d entre las paredes fija (5) y móvil (8) para configurar el espacio de trabajo 36.

Los datos de las células de carga 13 capturados por la unidad de control 43 pueden ser analizados por la propia unidad de control 43 o enviados a un servidor 44 para su análisis posterior. El servidor 44 puede estar ubicado en la misma instalación (e.g., en el puesto de control 49) o en un lugar remoto. En la realización mostrada en la Figura 9 la unidad de control 43 principal de la máquina se comunica con el servidor 44 que dispone de una aplicación cuyo fin principal es la gestión de los flujos de trabajo entre las capas de monitorización 45, páginas web 46, bases de datos 47 y almacenamiento en nube 48. La unidad de control 43 envía constantemente datos, entre ellos, los de los sensores 40, los cuales quedan registrados en la base de datos 47 y son monitorizados en un apartado de la web 46. Los datos recogidos en la base de datos 47 sirven para realizar los diferentes cálculos que permiten obtener los datos biométricos en función del tipo de prueba que se esté realizando. Los datos que se precisen, pueden ser volcados a un almacenamiento en nube 48 o a otro servidor en caso de ser necesario.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Sistema para la realización de pruebas de exoesqueletos en un entorno controlado, caracterizado por que el sistema (1) comprende:

una estructura fija (2) con un bastidor fijo (4) y una pared fija (5) unida al bastidor fijo (4);

una estructura móvil (3) con un bastidor móvil (7) y una pared móvil (8) unida al bastidor móvil (7), estando la pared móvil (8) enfrentada a la pared fija (5);

un dispositivo de desplazamiento (11) configurado para producir el desplazamiento de la estructura móvil (3), acercando o alejando la pared móvil (8) a la pared fija (5);

una base horizontal (9) ubicada debajo de ambas paredes (5, 8), definiendo con las paredes un espacio de trabajo (36);

al menos un obstáculo (10) ubicado en el espacio de trabajo (36); y

una unidad de control (43);

donde cada una de las paredes (5, 8) está formada por al menos un panel sensorizado (12), cada panel sensorizado (12) comprendiendo al menos una célula de carga (13) unida al bastidor correspondiente y configurada para medir una fuerza (F) de compresión o de tracción aplicada sobre el panel sensorizado (12) en dirección perpendicular al panel sensorizado (12);

y donde la unidad de control (43) está configurada para la recogida de las medidas de las células de carga (13).

2. Sistema según la reivindicación 1, que comprende un detector de desplazamiento (34) configurado para proporcionar una señal indicativa del desplazamiento de la estructura móvil (3);

y donde la unidad de control (43) está configurada para, utilizando la señal proporcionada por el detector de desplazamiento (34), controlar el dispositivo de desplazamiento (11) para posicionar a la pared móvil (8) a una distancia de separación (d) de la pared fija (5) determinada.

3. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el al menos un obstáculo comprende al menos una barra telescópica (10) dispuesta horizontalmente entre ambas paredes (5, 8), estando la barra telescópica (10) fijada en un primer extremo a la pared fija (5) y en un segundo extremo a la pared móvil (8).

4. Sistema según la reivindicación 3, donde cada panel sensorizado (12) tiene practicado una pluralidad de orificios (17) para la fijación de las barras telescópicas (10).

5. Sistema según la reivindicación 3 o 4, que comprende una pluralidad de barras telescópicas (10) dispuestas horizontalmente a diferentes alturas y/o anchuras del espacio de trabajo (36).

6. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde cada panel sensorizado (12) de las paredes (5, 8) comprende al menos un elemento de amortiguación (14) unido al bastidor correspondiente y que permite un movimiento amortiguado del panel sensorizado (12) en dirección perpendicular al panel sensorizado (12).

7. Sistema según la reivindicación 6, donde el al menos un elemento de amortiguación (14) está configurado para limitar el movimiento máximo a compresión y a tracción del panel sensorizado (12) en dirección perpendicular al panel sensorizado (12).

8. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 7, que comprende una pluralidad de elementos de amortiguación (14) ubicados en las esquinas de cada panel sensorizado (12).

9. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la célula de carga (13) está unida al bastidor (4, 7) en la parte central del panel sensorizado (12).

10. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde cada panel sensorizado (12) comprende al menos una rueda de apoyo (18) dispuesta en la parte inferior del panel sensorizado (12) y configurada para apoyar en la base horizontal (9) y permitir el movimiento del panel sensorizado (12) en dirección perpendicular al panel sensorizado (12).

11. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la base horizontal (9) forma parte de la estructura móvil (3).

12. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el dispositivo de desplazamiento (11) comprende al menos un motor (20) configurado para, mediante su activación, producir un desplazamiento lineal de la estructura móvil (3) a lo largo de al menos un carril guía (22).

13. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde al menos una de las paredes (5, 8) comprende una pluralidad de paneles sensorizados (12) dispuestos en línea.