ES2835345A1 - Exoesqueleto robotico flexible portatil socialmente responsable - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un exoesqueleto robótico flexible portátil socialmente responsable para mano con diversidad funcional, debido a trastornos neurológicos u otro tipo de patología que le impida utilizar la mano de manera independiente. Presenta una estructura que se ajusta a la forma de la mano del usuario y las compone una electrónica, sensores y un mecanismo motriz. La ventaja del exoesqueleto robótico flexible portátil socialmente responsable es su ergonomía y colocación a la mano del usuario, así como su modo de fabricación rápida y mecanismo de apertura que evita la utilización de motores o actuadores grandes que masifican el volumen del exoesqueleto, complicando su mantenibilidad y usabilidad. Su diseño tiene en cuenta parámetros de sostenibilidad económica, medioambiental y social, ya que tanto el diseño como el proceso de fabricación del exoesqueleto han sido optimizado para que se pueda reproducir mediante una máquina de modelado por deposición fundida de bajo coste, de esta manera, evita los costosos y complejos procesos de fabricación y moldes. Permite su fabricación y personalización en cualquier parte del mundo, lo que supone un ahorro en logística y distribución.

Description

DESCRIPCIÓN

Exoesqueleto de mano robótico flexible portátil socialmente responsable

Exoesqueleto de mano robótico flexible portátil socialmente responsable.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

Como indica el título de la invención, el objeto es un exoesqueleto robótico flexible portátil para mano, entendiéndose que un exoesqueleto robótico es una ayuda para transmitir el movimiento al usuario que tiene poco o nada de movimiento a causa de trastornos neurológicos y/o fisiológicos.

La presente invención se localiza dentro de la categoría de exoesqueletos robóticos e instrumentos terapéuticos.

ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR

Existen modelos de exoesqueleto robótico portátil para mano que consisten en una estructura externa que se sitúa en la mano y con su propia estructura rígida trasmite movimiento al miembro que tiene poca funcionalidad.

En general los modelos de exoesqueletos robóticos portátiles han sido creados con forma de guante para ayudar a mover los dedos a aquellas personas que no pueden hacerlo.

Normalmente, los exoesqueletos robóticos portátiles para mano cuentan con un sistema de actuación que permite mover cada dedo y para su funcionamiento cuentan con una electrónica encargada de activar el mecanismo de motores que transmite la fuerza.

Algunos exoesqueletos para mano convencionales que existen están compuestos por materiales rígidos y con un mecanismo complejo para su accionamiento, estos mecanismos hacen que el volumen del exoesqueleto para mano sea muy grande y/o pesado y poco funcional para el usuario.

En general, los exoesqueletos robóticos portátiles presentan un mantenimiento y puesta a punto complejo, debido a su mecanismo y voluminosidad. La suciedad se queda en los componentes y hace que el usuario no pueda utilizar el exoesqueleto hasta que se realice la limpieza de cada componente.

Por otro lado tenemos los guantes para rehabilitación que detectan señales musculares y guían la mano para realizar ejercicios de recuperación. Este tipo de exoesqueleto sirve para pacientes que han perdido las funciones de la mano debido a lesiones o enfermedades relacionadas con los nervios, como puede ser el caso de accidentes cerebrovasculares y con distrofia muscular.

Estos exoesqueletos robóticos utilizan materiales compuestos que intentan ajustarse a la forma de la mano, cuentan con cables que permiten el movimiento de solo tres dedos, pulgar, índice y medio. Cada actuación funciona de forma independiente, proporcionando asistencia a cada dedo por separado.

Otra forma de actuación son los exoesqueletos neumática, están conectados a un sistema de control de válvula de bomba que modula la presión de aire que dirige los actuadores blandos, cuando los actuadores están presurizados por aire, aplican fuerzas distribuidas a lo largo de la longitud del dedo para promover los movimientos de éstos y soportan diferentes movimientos de la mano.

Otro de los problemas añadidos es que la mayoría de los exoesqueletos robóticos tienen un coste elevado, siendo un producto poco accesible, además de tener una tecnología y montaje complejo para el usuario o especialistas en rehabilitación.

Por todo ello, surge la necesidad de diseñar un exoesqueleto flexible, económico y que se puede adaptar perfectamente al usuario de forma personalizada.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención que se presenta pretende resolver los problemas mencionados anteriormente. La presente invención presenta grandes ventajas en cuanto a la funcionalidad y diseño del exoesqueleto robótico flexible portátil de coste sostenible, además de materiales asequibles, permitiendo obtener la invención de manera lo más accesible posible.

El objetivo es crear un exoesqueleto robótico flexible portátil socialmente responsable que da movimiento a la mano de usuarios que presentan poco o nada de tono muscular, debido a trastornos neurológicos, patologías crónicas o cualquier tipo de accidente que haya dejado al miembro sin movilidad. El movimiento se puede transmitir gracias a la lectura de señales mioeléctricas de otro músculo funcional.

De forma detallada, se indican sus ventajas:

• El exoesqueleto se fabrica en plano, obteniendo un espesor mínimo para que sea lo menos aparatoso y más ergonómico posible para el usuario. Está diseñado con una forma plana lo que permite que se pueda reproducir en una impresora 3D situando la mayor parte de la superficie sobre la mesa de trabajo, evitando la colocación de soportes y/o zonas críticas que debiliten, dañen o desfiguren la forma final del producto. Otra de las ventajas que otorga la forma plana del diseño, es la resistencia del exoesqueleto a lo largo y ancho de éste. La impresora 3D irá colocando cada capa de filamento flexible sobre la mesa de trabajo creando el exoguante en perpendicular a las fuerzas que se verá sometido, además de que el espesor o altura de éste es mínimo.

• El diseño de los dedos y su material flexible permite la adaptación del exoesqueleto a cualquier tamaño de dedo.

• Permite una utilización del producto por parte del usuario aunque se carezca de tono muscular o movilidad alguna.

• Se puede accionar con cualquier músculo funcional que intervenga en el movimiento.

• Al fabricarse con una máquina de modelado por deposición fundida (FDM), ahorra costes elevados de distribución y logística, así como la problemática de llegar a destinos inalcanzables por medios de distribución convencional. El exoesqueleto robótico flexible portátil socialmente responsable está diseñado teniendo en cuenta parámetros de sostenibilidad económica, medioambiental y social. Para ello, tanto el diseño como el proceso de fabricación del exoesqueleto han sido optimizados para que pueda ser producido mediante una máquina de modelado por deposición fundida (FDM) de bajo coste, evitándose los costes de matricera convencionales, y a su vez abarata considerablemente el coste del conjunto.

• El exoesqueleto robótico flexible portátil socialmente responsable es modular, cada parte es impresa por separado y permite su posterior acoplamiento con las demás, de esta manera se consigue una mayor adaptabilidad al usuario, así como facilidad para poder personalizar o adaptar cada parte a éste. Otro de los motivos de optar por un diseño modular es subdividir en partes más simples o módulos un producto complejo, de manera que las tareas de diseño, desarrollo y fabricación de los módulos se pueden organizar en subproyectos que son realizados por diversos equipos. Establecer una estructura modular ha requerido de criterios y métodos para repartir las funciones y establecer las conexiones entre módulo, así como técnicas para transmitir adecuadamente la información entre los diferentes integrantes del equipo.

• Se puede conectar y desconectar de la parte eléctrica según el tipo de uso. Una vez se ha impreso el exoesqueleto y se ha obtenido el conjunto completo, éste puede ser conectado y desconectado con facilidad a la parte eléctrica del mismo, facilitando así su limpieza e higiene sin que se vea dañada esta parte.

• Se utilizan materiales de bajo coste y accesibles para todo el mundo, ahorrando un proceso de fabricación elevado.

• Diseño ergonómico, debido al tipo de material flexible que se utiliza, adaptándose fácilmente a la forma de la mano según el usuario. El exoesqueleto cuenta con un diseño ergonómico, teniendo en cuenta las medidas antropométricas de la mano en todas sus posiciones y actividades, es decir, un estudio de todos los caracteres métricos cuantitativos y cualitativos de la mano. Además del estudio de la antropometría, se han considerado factores humanos como la biomecánica para entender cómo se mueve la mano y la anatomía para ver cómo está compuesto. • El material es resistente a líquidos por lo que es lavable.

• El material es transpirable, lo que facilita su uso prolongado y evita problemas de infecciones de piel y mal olor de esta.

• Durabilidad y uso continuo, a su vez, el producto se adapta a las necesidades del usuario y cumpliendo con efectividad las actividades que éste desea realizar con el mismo. El diseño focaliza su actividad hacia la funcionalidad del producto, para ello tener en cuenta las acciones útiles que se pueden realizar con el exoesqueleto, incorporando información sobre las mismas.

El exoesqueleto consiste en una estructura externa que se adecua a la forma de la mano y consta de una electrónica, sensores y un mecanismo motriz. La forma ergonómica y el material flexible sirven de ayuda a la colocación del exoesqueleto robótico flexible a la mano del usuario.

El exoesqueleto comprende partes diseñadas en forma plana. El material de fabricación es flexible y permite que se adapte a la geometría de la mano después de su fabricación. El exoesqueleto comprende las siguientes partes:

• Parte superior que se ajusta a la mano, situándose en el dorsal de la misma. Se conecta con los dedos mediante unión mecánica a través de un segmento de la pieza dedo, de modo que ese segmento se coloca sobre la parte superior. También está conectada a lo ancho con la parte inferior que se sitúa sobre la palma de la mano. • Parte inferior que se sitúa sobre la palma de la mano. Esta parte va unida a la pieza superior. La parte inferior comprende canales tubulares discontinuos, mínimo dos por cada dedo. Cada canal comprende un tensor. Estos canales sirven de guías para que pasen los tensores que transmiten la fuerza de tensión a los dedos y también sirven como protección al usuario de una posible rozadura o estrangulamiento cuando se produce la tensión, así como al propio tensor cuando entra en contacto con otros objetos.

• Parte del dedo que se sitúa encima de cada dedo, excluyendo el pulgar. Es una estructura plana genérica para todos los dedos con un contorno irregular y una longitud variable en función del dedo en el que esté situado, ya que se puede escalar en función del tamaño del dedo del usuario. Se distinguen tres partes que coinciden con la parte proximal, medial y distal del dedo humano, donde en los extremos de estas partes hay salientes y en el borde canales tubulares que albergan tensores. • Pieza cubre que se sitúa encima de la parte proximal de la pieza dedo. Coincide en forma y tamaño con la parte proximal de la pieza dedo de manera que al juntarse crea un recipiente contenedor que alberga la pieza anillo. De la misma manera se coloca otra pieza cubre sobre la parte medial de la pieza dedo realizando la misma función.

• Pieza anillo. Es una pieza cilíndrica de material rígido con forma de anillo que se introduce en el interior del espacio que deja la pieza cubre cuando se une con la parte proximal o la medial de la pieza dedo, dando agarre al conjunto sobre el dedo. De esta manera el dedo del exoesqueleto toma la forma curva ajustándose al grosor del dedo del usuario.

• Pieza pulgar. Estructura de forma plana con forma de dedo por un extremo y alargada por otro, el extremo que sigue la forma del dedo se coloca en el dedo pulgar del usuario y la parte alargada se enrolla por la parte anterior de la muñeca hasta la parte superior de ésta, ajustándose en la parte baja del dedo pulgar.

• Pieza tensor. El tensor pasa por todo el contorno de los dedos a través de los canales tubulares que hay en los bordes de los dedos permitiendo que se ajuste a cualquier tipo de grosor de dedo cuando se pone en funcionamiento la actuación y transmite la tensión.

• Brazalete. Estructura plana, ajustable y flexible que se encarga de sostener la caja de control y va situada en el brazo del usuario.

• Caja de control. Estructura que alberga toda la electrónica y mecánica que se encarga de transmitir la fuerza necesaria para que el usuario pueda reproducir movimientos básicos.

El exoesqueleto al ser modular se diferencia la parte que está situada en la mano del usuario y la parte del brazalete con la caja de control y actuación. Estas partes se pueden separar en función del uso que se le dé a éste, facilitando el montaje y desmontaje por separado.

El material de la presente invención permite la manipulación de líquidos evitando que se queden restos tras utilizarlo, además de transpirable permitiendo un uso prolongado. La forma plana del exoesqueleto concede al usuario que se pueda lavar con facilidad y tener una higiene correcta.

Debido al material con el que está fabricado y al diseño que permite que se ajuste a diferentes estructuras de mano del usuario, se evita que se realice la producción de diferentes tipos de exoesqueletos robóticos flexibles portátiles.

La fabricación aditiva permite que desde un modelo genérico del exoesqueleto se pueda escalar a una medida concreta, partiendo de las medidas de la mano del usuario y sin necesidad de realizar un nuevo diseño. Al producirse mediante modelado por deposición fundida da la facilidad al usuario o al profesional rehabilitador de personalizar y auto fabricar su propio exoesqueleto robótico flexible portátil socialmente responsable.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1.- Vista en perspectiva explosionada del exoesqueleto robótico flexible portátil socialmente responsable con el dedo pulgar e índice.

EXPOSICIÓN DETALLADA DE MODOS DE REALIZACIÓN

Como se ha comentado anteriormente, el exoesqueleto robótico flexible portátil socialmente responsable se fabrica en plano, debido a su composición flexible permite su adaptación a la mano del usuario.

El exoesqueleto robótico flexible portátil comprende los siguientes elementos:

• Parte superior 1 con forma ergonómica y material flexible que ayuda a la colocación del exoesqueleto. El contorno de la parte superior 1 es similar al de la mano del usuario. Por la parte de arriba conecta con los dedos 3 del exoesqueleto. Para ello dispone de pequeñas perforaciones puntuales y equidistantes formando un rectángulo, con mínimo cuatro perforaciones por cada lado. En la parte baja se ajusta al ancho de la muñeca para que se pueda agarrar a ésta. El lateral exterior se une con la parte inferior 2 del exoesqueleto mediante un tramo alargado situado en la parte de arriba. En el mismo lateral exterior, a la altura de la muñeca, dispone de otro tramo alargado que permite la sujeción a la muñeca del usuario. En el lateral interior, tanto en la parte alta como en la parte baja, dispone de una perforación alargada que permite el ajuste a la geometría de la mano.

• Parte inferior 2 con forma ergonómica y flexible para seguir la curva de la palma. La parte inferior 2 del exoesqueleto se coloca en la palma del usuario. En la parte de arriba tiene una curva que sirve para ajustarse mejor a la palma cuando se realiza la contracción de la mano. En el lateral exterior de la mano, tanto en la parte alta como en la parte baja a la altura de la muñeca hay perforaciones puntuales equidistantes que permite la unión con la parte superior 1 del dispositivo. En el lateral interior, en la parte alta y baja, dispone de una perforación alargada para el ajuste a la geometría de la mano. El centro se va estrechando haciendo que los tensores realicen la fuerza desde un punto central, intentando simular los tendones de la mano. A lo largo del centro hay canales tubulares, como mínimo dos por cada dedo. Cada canal comprende un tensor.

• Parte del dedo 3 es una estructura plana de contorno irregular que se sitúa encima de cada dedo del usuario de forma que su longitud varía en función del dedo en el que esté situado pudiéndose escalar según el tamaño, teniendo un modelo genérico para todos los dedos excluyendo el pulgar. Se distinguen tres partes que coinciden con la parte proximal, medial y distal del dedo humano. Entre esas tres partes, hay dos zonas intermedias, donde cada zona tiene dos perforaciones dejando unos huecos que otorgan un movimiento más fluido en la articulación de cada falange. En los laterales, en cada falange, se disponen de dos salientes que abrazan el dedo del usuario. En la falange distal cambia la estructura y en total se disponen de cinco salientes, dos por cada lateral y uno más en la parte central. En los bordes de esos salientes hay canales tubulares que albergan tensores 8 que se encargan de transmitir la fuerza de tensión a los dedos. Los tramos tubulares sirven como guía y protección para los tensores 8 y evitan que el usuario sufra rozaduras o estrangulamientos cuando se accionan los tensores 8. Entre cada falange, hay una zona que comprende dos perforaciones que permiten que cuando se produzca la contracción del dedo el material flexible no oponga resistencia a esta acción. Además, deja unos huecos que otorgan un movimiento más fluido en la articulación de cada falange. En cada falange, en los dos salientes, hay perforaciones puntuales que permiten la unión con las piezas cubre para posteriormente poder contener las piezas anillos. La parte baja del dedo 3 se conecta a la parte superior 1 del exoesqueleto gracias a unas perforaciones puntuales equidistantes, en forma de rectángulo, donde hay un mínimo de cuatro perforaciones por lado. Además el dedo 3 dispone de un pieza de material elástico 4 conectada a la falange proximal del dedo, de manera que cuando se reduce la fuerza que ejercen los actuadores, situados en la caja de control, cuando se realiza la contracción del dedo, el material elástico 4 recupera su deformación elástica haciendo que el dedo vuelva a una posición ergonómica de apertura.

Pieza cubre 5 tiene un contorno irregular y coincide en forma con la parte proximal de la pieza dedo. De forma que al situar la pieza cubre 5 encima de la parte proximal de la pieza dedo, se generan espacios contenedores para poder introducir dos piezas anillo. Esta pieza se imprime por separado para garantizar su forma plana y evitar la colocación de soportes en la pieza dedo, además de dar un espesor mínimo al conjunto. También se sitúa otra pieza cubre 5 en la parte medial de la pieza dedo 3 con el mismo fin.

Pieza anillo 6 es una pieza cilíndrica con forma de anillo que se introduce en el interior del espacio que deja la pieza cubre 5 cuando se une con la parte proximal de la pieza dedo 3, y de la misma manera y realizando la misma función se colocan dos piezas anillo 6 en el espacio contenedor que deja la pieza cubre 5 al situarse sobre parte medial de la pieza dedo 3. En cada pieza cubre 5 van ubicadas dos piezas anillo 6.

La pieza anillo 6 es de un material rígido que se ajusta al grosor del dedo abrazando la pieza dedo 3 al usuario.

Pieza pulgar 7 es una parte independiente debido a la complejidad y mayor grado de libertad frente a los otros dedos. El contorno del pulgar 7 es irregular, el extremo superior tiene una forma similar al dedo pulgar del usuario con una perforación en el centro para evitar que el material produzca resistencia a la hora de que el dedo se contraiga. En cada lateral dispone de dos salientes que se encargan de abrazar el dedo cuando actúen los tensores, estos salientes tienes mínimo cuatro perforaciones que permiten la unión. En los bordes dispone de canales tubulares que a su vez, comprenden tensores 8. La pieza pulgar 7 se une por sus dos laterales formando una curva que coincide con el puente que hay entre el pulgar y el dedo índice, de manera que facilita la colocación de esta pieza en el pulgar del usuario. La parte baja de la pieza se prolonga todo lo necesario hasta alcanzar y unirse mediante las perforaciones que presenta con la pieza inferior 2, y así permitir el ajuste de la pieza.

Pieza tensor 8 es de un material tubular resistente que se introduce en los canales tubulares de la pieza dedo 3 y pieza pulgar 6. También se introducen en los canales de la parte inferior 2. Los tensores se acoplan en los actuadores situados en la caja de control 8 que se encargan de enrollarse sobre éstos cuando se pone en funcionamiento el mecanismo motriz.

Brazalete 9 es una estructura plana, ajustable y flexible que se encarga de sostener la caja de control 10 y va situada en el brazo del usuario.

Caja de control 10 es una estructura que alberga toda la electrónica y mecánica que se encarga de transmitir la fuerza necesaria para que el usuario pueda reproducir movimientos básicos. Los actuadores, situados en la caja de control, realizan la tracción de los dedos que se colocan por la parte anterior del brazo, de manera que la tensión está a favor del movimiento de cierre y la fuerza de tracción permite que los dedos se cierren empezando desde la falange distal hacia la falange proximal.

Claims (3)

REIVINDICACIONES

1. Exoesqueleto de mano robótico flexible portátil socialmente responsable que comprende:

• Parte superior situada en el dorsal de la mano, se conecta con los dedos mediante unión mecánica a través de un segmento de la pieza dedo, de modo que ese segmento se coloca sobre la parte superior. También está conectada a lo ancho con la parte inferior que se sitúa sobre la palma de la mano.

• Parte inferior situada sobre la palma de la mano. Esta parte va unida a la pieza superior. La parte inferior comprende canales tubulares discontinuos, mínimo dos por cada dedo. Cada canal comprende un tensor.

• Parte del dedo que se sitúa encima de cada dedo, excluyendo el pulgar. Es una estructura plana genérica para todos los dedos con un contorno irregular y una longitud variable. Se distinguen tres partes que coinciden con la parte proximal, medial y distal del dedo humano, donde en los extremos de estas partes hay salientes y en el borde canales tubulares que albergan tensores.

• Pieza cubre que se sitúa encima de la parte proximal de la pieza dedo y la parte medial. Coincide en forma y tamaño con la parte proximal de la pieza dedo.

• Pieza anillo. Es una pieza cilíndrica de material rígido con forma de anillo que se introduce en el interior del espacio que deja la pieza cubre cuando se une con la parte proximal o la medial de la pieza dedo.

• Pieza pulgar. Estructura de forma plana con forma de dedo por un extremo y alargada por otro, el extremo que sigue la forma del dedo se coloca en el dedo pulgar del usuario y la parte alargada se enrolla por la parte anterior de la muñeca hasta la parte superior de ésta, ajustándose en la parte baja del dedo pulgar.

• Pieza tensor. El tensor pasa por todo el contorno de los dedos a través de los canales tubulares que hay en los bordes de los dedos.

• Brazalete. Estructura plana, ajustable y flexible que se encarga de sostener la caja de control y va situada en el brazo del usuario.

• Caja de control. Estructura que alberga toda la electrónica y mecánica que se encarga de transmitir la fuerza necesaria para que el usuario pueda reproducir movimientos básicos.

2. Exoesqueleto de mano robótico flexible portátil socialmente responsable según la reivindicación 1 fabricado con material flexible, transpirable y resistente a líquidos.

3. Exoesqueleto de mano robótico flexible portátil socialmente responsable según la reivindicación 1 que permite la fabricación por impresión en 3D.