ES2905096T3

ES2905096T3 - Exoesqueleto

Info

Publication number: ES2905096T3
Application number: ES15858390T
Authority: ES
Inventors: Adam Zoss; Darrell Musick; Nathan Harding
Original assignee: Ekso Bionics Inc
Current assignee: Ekso Bionics Inc
Priority date: 2014-11-11
Filing date: 2015-11-11
Publication date: 2022-04-07
Anticipated expiration: 2035-11-11
Also published as: CN107106398A; WO2016077442A1; PL3217942T3; EP3217942A1; EP3217942A4; US10576008B2; US20180078442A1; EP3217942B1; CN107106398B

Abstract

Un exoesqueleto (100) que comprende: un soporte (110) de pierna configurado para acoplarse a un portador; un actuador (145) de cadera; un actuador (155) de rodilla; y un sistema (165) de control configurado para hacer que el exoesqueleto (100) entre de forma sucesiva en al menos dos modos de funcionamiento para el exoesqueleto (100), con los modos de funcionamiento que se seleccionan de uno o más de, un modo de preparación de entrenamiento de la marcha, un modo de entrenamiento de equilibrio, un modo de control de centro de presión y un modo de ciclo de trayectoria; caracterizado por que: en donde el modo de preparación de entrenamiento de la marcha comprende las etapas de: (i) hacer que el exoesqueleto (100) entre en el modo de preparación de entrenamiento de la marcha; (ii) mover la pierna del portador con el exoesqueleto (100); (iii) hacer que el exoesqueleto salga del modo de preparación de entrenamiento de la marcha; y (iv) realizar el entrenamiento de la marcha con el exoesqueleto (100); en donde el modo de entrenamiento de equilibrio comprende las etapas de: (i) hacer que el exoesqueleto (100) entre en el modo de entrenamiento de equilibrio; (ii) recoger datos en un estado de equilibrio del exoesqueleto (100) y del portador mientras el portador realiza un movimiento; y (iii) proporcionar retroalimentación al portador basándose en los datos recogidos en el estado de equilibrio del exoesqueleto (100) y del portador; en donde el modo de control del centro de presión comprende las etapas de: (i) hacer que el exoesqueleto (100) entre en el modo de control de centro de presión; (ii) calcular un centro de presión del exoesqueleto (100) y del portador; y (iii) determinar si se recomienda un cambio de peso; y en donde el modo de ciclo de trayectoria comprende las etapas de: (i) hacer que el exoesqueleto (100) entre en el modo de ciclo de trayectoria; (ii) dirigir al exoesqueleto (100) para realizar un ciclo de trayectoria una pluralidad de veces; (iii) modificar el ciclo de trayectoria para crear un primer ciclo de trayectoria modificado; y (iv) hacer que el exoesqueleto (100) realice el primer ciclo de trayectoria modificado una o más veces.

Description

DESCRIPCIÓN

Exoesqueleto

Campo de la invención

La presente invención se refiere a dispositivos que ayudan en la rehabilitación y en el restablecimiento de la función muscular en pacientes con una función o control muscular deteriorados. De forma más particular, la presente invención se refiere a un dispositivo adecuado para el uso terapéutico con pacientes que tienen una función neuromuscular/muscular deteriorada de las extremidades. Dichos dispositivos comprenden un sistema monitorizado de abrazaderas y sistemas de control relacionados que potencian una función mejorada de las extremidades para actividades que incluyen, pero no están limitadas a, la marcha. La invención también se refiere a la utilización de un exoesqueleto con propósitos de entrenamiento.

Antecedentes de la invención

Millones de personas sufren de una pérdida total o parcial de habilidad para caminar, resultando en una movilidad ampliamente deteriorada para la persona afectada. Este estado de discapacidad puede suceder como resultado de una lesión traumática, un derrame cerebral u otras condiciones médicas que provoquen trastornos que afectan al control muscular. Independientemente del origen, el inicio y continuación de la discapacidad para caminar puede provocar reacciones físicas y/o psicológicas negativas adicionales para el individuo afectado. Para mejorar la salud y la calidad de vida de los pacientes con discapacidad para caminar, el desarrollo de dispositivos y métodos que pueden mejorar o restablecer la función de marcha es de una utilidad significativa para las comunidades médicas y terapéuticas. Más allá de la discapacidad para caminar, hay un rango de condiciones médicas que interfieren con el control muscular de las extremidades, resultando en una pérdida de función y otras condiciones adversas para el individuo afectado. El desarrollo de dispositivos y métodos para mejorar o restablecer estas funciones adicionales es también de gran interés para las comunidades médicas y terapéuticas.

Se han desarrollado dispositivos de exoesqueleto humano en el campo médi

función muscular apropiada para la gente con trastornos que afectan al control del músculo. Estos dispositivos de exoesqueleto incluyen un sistema de abrazaderas motorizadas que pueden aplicar fuerzas a las extremidades del portador. En una configuración de rehabilitación, los exoesqueletos son controlados por un fisioterapeuta que utiliza uno de la pluralidad de posibles medios de entrada para controlar un sistema de control de exoesqueleto. A su vez, el sistema de control de exoesqueleto acciona la posición de las abrazaderas motorizadas, resultando en la aplicación de una fuerza, y típicamente un movimiento de, el cuerpo del portador del exoesqueleto. Los sistemas de control de exoesqueleto prescriben y controlan las trayectorias en las articulaciones del exoesqueleto. Estas trayectorias se pueden prescribir basándose en una posición, basándose en una fuerza o una combinación de ambas metodologías, tal como se puede apreciar en un controlador de impedancia. Los sistemas de control basados en la posición pueden modificar las trayectorias de exoesqueleto directamente a través de la modificación de las posiciones prescritas. Los sistemas de control basados en la fuerza pueden modificar las trayectorias del exoesqueleto a través de la modificación de los perfiles de fuerza prescritos. Movimientos del exoesqueleto complicados, tales como la marcha, se controlan por el sistema de control de exoesqueleto a través del uso de una serie de trayectorias de exoesqueleto, con movimientos de exoesqueleto cada vez más complicados que requieren una serie cada vez más complicada de trayectorias de exoesqueleto. Esta serie de trayectorias puede ser cíclica, tal como cuando el exoesqueleto toma una serie de pasos con cada pierna o pueden ser discretas, tales como cuando un exoesqueleto se eleva de una posición sentada a una posición erguida.

Dependiendo de la fisiología particular o la fase de rehabilitación del paciente, a menudo es beneficioso para un fisioterapeuta interactuar con el paciente de cierta manera antes del uso del exoesqueleto en el entrenamiento de la marcha u otros tipos de rehabilitación. En algunos casos, los pacientes se benefician de un estiramiento, una agitación u otra manipulación de los miembros con el fin de preparar al paciente para, y por lo tanto aumentar el beneficio rehabilitador de, la terapia de exoesqueleto. El estiramiento u otra relajación de los miembros puede ser particularmente importante para pacientes que son incapaces de controlar ciertos músculos. En algunos casos, el fisioterapeuta trabajará con pacientes mejorando su equilibrio antes de la terapia de exoesqueleto. La mejora del equilibrio del paciente mientras el paciente está de pie sobre una o ambas piernas es un claro beneficio para el equilibrio posterior durante la marcha del paciente. Existe una necesidad no satisfecha de maneras de utilizar un exoesqueleto para aumentar o reemplazar el papel del fisioterapeuta en estas funciones de entrenamiento antes de la marcha (o “antes de la marcha”).

Adicionalmente, el estar de pie durante largos periodos de tiempo puede tener efectos perjudiciales sobre el cuerpo humano, en particular los pies y las piernas. Como medios para mejorar algunos de estos efectos, tales como una circulación menor en los pies, una persona, cuando está de pie durante largos periodos de tiempo, cambiará de forma consciente o subconsciente el peso de un pie al otro. En algunos casos, un paciente discapacitado que utiliza un dispositivo de exoesqueleto puede que no sea capaz de sentir o de darse cuenta de ciertos problemas en las piernas y los pies y por tanto sería poco probable que este paciente cambie el peso de pie a pie, lo cual no es deseable debido a que el paciente permanece de pie en el exoesqueleto durante largos periodos de tiempo en una posición fija. Existe una necesidad no satisfecha de dispositivos y métodos que permitan a los exoesqueletos cambiar automáticamente o manualmente el peso de un paciente que usa un dispositivo de exoesqueleto para evitar una lesión o molestia al paciente, por tanto ayudando al proceso de rehabilitación.

Además, durante una sesión de entrenamiento de la marcha o en ciertos tipos de fisioterapia, los movimientos repetitivos exactos tienen un beneficio terapéutico menor para un paciente que los movimientos variados. La fisioterapia asistida por robótica, que incluye la terapia de exoesqueleto, está de forma inherente, debido a la naturaleza de la robótica, predispuesta para la ejecución de ciclos exactos de un movimiento repetitivo, y existe una necesidad no satisfecha de introducir algún grado de variabilidad o aleatoriedad en los movimientos ejecutados por los exoesqueletos para aumentar los beneficios terapéuticos de estos dispositivos. El documento WO2014/159577A1 divulga un exoesqueleto con las características del preámbulo de la reivindicación 1.

Resumen de la invención

Es un objeto de la presente invención proporcionar dispositivos que permitan a un fisioterapeuta u otro operario de exoesqueleto hacer uso de un exoesqueleto con el propósito de preparar el cuerpo de un paciente para una terapia de exoesqueleto, de forma específica haciendo que el exoesqueleto manipule físicamente y/o relaje los músculos, articulaciones y otras partes del paciente de tal manera que prepare al paciente para recibir la terapia de exoesqueleto, por lo tanto mejorando el beneficio terapéutico de la terapia de exoesqueleto para ese paciente. Es un objeto adicional de la presente invención que esta preparación física del paciente permita al sistema de control de exoesqueleto predecir mejor las trayectorias durante la marcha y otros movimientos que implican tanto al paciente como al exoesqueleto.

Es también un objeto de la presente invención proporcionar dispositivos y métodos que permitan a un fisioterapeuta u otro operario de exoesqueleto hacer uso de un exoesqueleto con el propósito de entrenar a un paciente para una terapia de exoesqueleto, de forma específica mejorando la habilidad del paciente de equilibrarse asimismo mientras se acopla al exoesqueleto, por lo tanto mejorando el beneficio terapéutico de la terapia de exoesqueleto para el paciente. Para pacientes sin sensación de presión en sus pies, como es en el caso de ciertos tipos de lesiones, esta información de equilibrio debería presentarse mediante otros medios y es un objeto adicional de la presente invención entrenar a dicho paciente para recibir una información de centro de presión de un exoesqueleto antes de la terapia ambulatoria.

Es un objeto adicional de la presente invención proporcionar dispositivos que permitan a un exoesqueleto utilizado por un paciente cambiar la distribución relativa del peso del paciente de una pierna a la otra, o bien a intervalos de tiempo establecidos o en respuesta a ciertos tipos de datos medidos, para evitar una lesión o molestia al paciente.

Es otro objeto de la presente invención proporcionar dispositivos que permitan alterar trayectorias de exoesqueleto utilizadas en movimientos cíclicos, tales como la marcha, de tal manera que los movimientos de un paciente y de los exoesqueletos tengan un aspecto de irregularidad que tenga un beneficio terapéutico mejorado para el paciente. Es un objeto adicional de la presente invención que los dispositivos descritos anteriormente satisfagan los requisitos regulatorios gubernamentales por ejemplo, (FDA) con respecto a la seguridad de dichos usos de exoesqueleto en un entorno de rehabilitación.

Para lograr estos objetos, se han desarrollado conceptos en los cuales el fisioterapeuta u otro operario de exoesqueletos sea capaz de utilizar un sistema de control de exoesqueleto, junto con accionadores o sensores de exoesqueleto, con los propósitos de preparar físicamente las extremidades u otras partes del cuerpo de un paciente para una sesión de entrenamiento de la marcha u otra terapia de exoesqueleto. Las órdenes del fisioterapeuta se interpretan por el sistema de control de exoesqueleto y el sistema de control de exoesqueleto conecta los accionadores del exoesqueleto para mover la estructura del exoesqueleto. Dado que la estructura del exoesqueleto se acopla a las extremidades del paciente, la estructura del exoesqueleto aplica una fuerza y/o mueve las extremidades del paciente. Los sensores de exoesqueleto y el sistema de control de exoesqueleto miden la información sobre el estado del exoesqueleto y del paciente y el sistema de control de exoesqueleto proporcionan una retroalimentación sobre el estado del exoesqueleto del paciente al fisioterapeuta.

Se desarrollaron conceptos adicionales en los cuales un fisioterapeuta, u otro operario de exoesqueleto, es capaz de utilizar un sistema de control de exoesqueleto, junto con accionadores y sensores de exoesqueleto, con los propósitos de preparar a un paciente para una sesión terapia de exoesqueleto de entrenamiento de la marcha con una sesión antes de la marcha de entrenamiento de equilibrio o de constitución de habilidad relacionada. Los comandos del fisioterapeuta son interpretados por el sistema de control de exoesqueleto y el sistema de control de exoesqueleto conecta los accionadores del exoesqueleto para mover la estructura del exoesqueleto. Dado que la estructura del exoesqueleto se acopla a las extremidades del paciente, la estructura del exoesqueleto aplica una fuerza y/o mueve las extremidades del paciente. Los sensores de exoesqueleto y el sistema de control de exoesqueleto miden información sobre el estado del exoesqueleto y del paciente y el sistema de control de exoesqueleto proporciona una retroalimentación sobre el estado del exoesqueleto y del paciente al fisioterapeuta. Se proporciona al paciente información sobre el centro de presión de manera que el paciente puede sentir cuando está equilibrado sobre sus pies.

Se desarrollaron conceptos adicionales en los cuales un sistema de control de exoesqueleto es capaz de utilizar sensores u otros medios de recogida de datos para detectar que un portador de exoesqueleto ha mantenido una distribución de peso desfavorable durante un periodo de tiempo más largo del que es deseable. El sistema de control de exoesqueleto entonces o bien incita al portador del exoesqueleto para que redistribuya su peso o conecte los accionadores del exoesqueleto de tal manera que afecte a la redistribución de peso, con los actuadores del exoesqueleto moviendo la estructura del exoesqueleto. Dado que la estructura del exoesqueleto se acopla a las extremidades del portador del exoesqueleto, la estructura del exoesqueleto aplica una fuerza y/o mueve las extremidades del paciente. Los sensores de exoesqueleto y el sistema de control de exoesqueleto miden una información del estado del exoesqueleto y del portador y el sistema de control de exoesqueleto proporciona una retroalimentación sobre el estado del exoesqueleto y del portador al portador o a un operario de exoesqueleto. Se desarrollaron conceptos adicionales en los que se impone un elemento de variabilidad a una secuencia de trayectoria de exoesqueleto por un fisioterapeuta u otro operario de exoesqueleto. Esto se logra haciendo que un sistema de control de exoesqueleto inserte un elemento de variabilidad en la secuencia de trayectoria para ciertos movimientos y mejore el beneficio terapéutico del exoesqueleto para un paciente.

De acuerdo con la presente invención, se proporciona un exoesqueleto como se reivindica en la reivindicación 1. Modos de realización preferidos de la invención se definen en las reivindicaciones dependientes.

En un modo de realización, se puede hacer que el exoesqueleto entre en un modo de entrenamiento de equilibrio en el cual se recogen datos en un estado de equilibrio del exoesqueleto y del portador mientras el portador realiza un movimiento. La retroalimentación se proporciona al portador basándose en los datos recogidos en el estado de equilibrio del exoesqueleto y del portador. El movimiento realizado por el portador puede ser uno o más de los siguientes: estar de pie sobre una pierna, marchar en el lugar, cambiar el peso de pierna a pierna; cambiar el peso entre piernas y muletas; andar hacia los lados; o andar hacia atrás. Se calcula y se proporciona una cantidad de asistencia necesaria para estabilizar al exoesqueleto y al portador. La retroalimentación para el portador incluye información de la cantidad de asistencia necesaria.

En otro modo de realización, se calcula un centro de presión del exoesqueleto y del portador y se hace una determinación sobre si se recomienda un cambio de peso. Si se determina que se recomienda un cambio de peso, se incita al portador para que realice el cambio de peso. Si el portador no realiza el cambio de peso, se calcula al menos una trayectoria necesaria para realizar el cambio de peso. El cambio de peso se realiza moviendo el exoesqueleto a través de al menos una trayectoria. De forma alternativa, si se determina que se recomienda un cambio de peso, el portador no necesita ser incitado, y se calcula la al menos una trayectoria necesaria para realizar el cambio de peso y el cambio de peso se realiza automáticamente moviendo el exoesqueleto a través de al menos una trayectoria.

En un modo de realización más, el exoesqueleto es dirigido para realizar un ciclo de trayectoria una pluralidad de veces. El ciclo de trayectoria se modifica para crear un primer ciclo de trayectoria modificado y el exoesqueleto se hace que realice el primer ciclo de trayectoria modificado una o más veces. Después de que el exoesqueleto haya realizado el primer ciclo de trayectoria modificado la una o más veces, el ciclo de trayectoria se modifica para crear un segundo ciclo de trayectoria modificado, y se hace que el exoesqueleto realice el segundo ciclo de trayectoria modificado una o más veces. A modo de ejemplo, el ciclo de trayectoria puede ser un paso, y la modificación del ciclo de trayectoria puede incluir el cambio de uno o más de los siguientes parámetros: altura de paso; longitud de paso; tiempo de paso; o separación de paso. El primer ciclo de trayectoria modificado es borrado después de que el exoesqueleto haya realizado el primer ciclo de trayectoria modificado la una o más veces.

Objetos características y ventajas adicionales de la invención serán más fácilmente evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de la invención cuando se toma en conjunción con los dibujos en los cuales referencias numéricas similares se refieren a partes correspondientes en las diversas vistas.

Breve descripción de las figuras

La figura 1 es una vista lateral de una persona que usa un exoesqueleto ambulatorio;

La figura 2A muestra a un fisioterapeuta que observa e interactúa con una persona y un exoesqueleto de acuerdo con un primer modo de realización de la presente invención;

La figura 2B es un diagrama de flujo que ilustra el primer modo de realización en el cual el fisioterapeuta hace uso del exoesqueleto para estirar y/o de otro modo preparar el cuerpo del individuo para una terapia de exoesqueleto; La figura 3A muestra un fisioterapeuta que observa y que interactúa con una persona y un exoesqueleto de acuerdo con un segundo modo de realización de la presente invención;

La figura 3B es una vista superior de una persona que usa un exoesqueleto ambulatorio;

La figura 3C es un diagrama de flujo que ilustra el segundo modo de realización en el cual el fisioterapeuta hace uso del exoesqueleto para un entrenamiento antes de la marcha de la persona;

La figura 4 es un diagrama de flujo que ilustra un tercer modo de realización de la presente invención;

La figura 5A es un diagrama de flujo que ilustra un cuarto modo de realización de la presente invención; y

La figura 5B es un gráfico de trayectorias modificadas de ejemplo de acuerdo con el cuarto modo de realización.

Descripción detallada de los modos de realización preferidos.

Modos de realización detallados de la presente invención se divulgan en el presente documento. Sin embargo, se ha de entender que los modos de realización divulgados constituyen meramente un ejemplo de la invención y que se pueden materializar de formas diversas y alternativas. Las figuras no están necesariamente a escala y se pueden exagerar o minimizar algunas características para mostrar detalles de componentes particulares. Por lo tanto, los detalles estructurales y funcionales específicos divulgados en el presente documento no se han de interpretar como limitativos, sino meramente como una base representativa para enseñar a un experto en la técnica a emplear la presente invención.

En conexión con la presente invención, “centro de presión” es el término dado al punto de aplicación del vector de fuerza de reacción del suelo. El vector de fuerza de reacción del suelo representa la suma de todas las fuerzas que actúan entre el objeto físico y su superficie de soporte, por ejemplo, entre un exoesqueleto y el suelo. El centro de presión no es una medida resultante estática. Por ejemplo, durante la marcha, el centro de presión está cercano al talón en el momento del talonado y se mueve anteriormente a lo largo del paso, estando ubicado cerca de los dedos del pie en el momento del despegue del dedo del pie.

Con referencia la figura 1, un exoesqueleto 100 (o dispositivo de exoesqueleto) tiene una abrazadera 105 de torso y soportes de pierna (uno de los cuales está etiquetado con 110). El exoesqueleto 100 se utiliza en combinación con un par de muletas, por ejemplo, una muleta 115 izquierda que incluye una punta 120 de enganche al suelo inferior y un mango 125. En conexión con este modo de realización, a través del uso del exoesqueleto 100, un paciente (o de forma general, un usuario o portador) 130 es capaz de caminar. De una manera conocida en la técnica, la abrazadera 105 de torso está configurada para acoplarse al torso 135 del paciente 130, mientras que los soportes de pierna están configurados para acoplarse a los miembros inferiores (uno de los cuales está etiquetado con 140) del paciente 130. Adicionalmente, se interponen accionadores entre porciones de los soportes 110 de pierna, así como entre los soportes 110 de pierna y la abrazadera 105 de torso y se proporcionan para el cambio de los soportes 110 de pierna con respecto a la abrazadera 105 de torso para permitir el movimiento de los miembros 140 inferiores del paciente 130. En algunos modos de realización, la abrazadera 105 de torso puede ser bastante pequeña y comprender una conexión pélvica (no mostrada), que se envuelve alrededor de la pelvis del paciente 130. En el ejemplo mostrado en la figura 1, los accionadores se muestran de forma específica como un accionador 145 de cadera, que se utiliza para mover una articulación 150 de cadera en flexión y extensión y como un accionador 155 de rodilla, que se utiliza para mover una articulación 160 de rodilla en flexión y extensión. Los accionadores 145 y 155 se pueden controlar mediante un controlador 165 (o CPU) de diversas formas conocidas para un experto en la técnica de control de exoesqueleto, con el controlador 165 constituyendo un sistema de control de exoesqueleto. Aunque no se muestra en la figura 1, varios sensores están en comunicación con el controlador 165 de manera que el controlador 165 puede monitorizar la orientación del exoesqueleto 100. Dichos sensores pueden incluir, sin restricción, codificadores, potenciómetros, un acelerómetro y giroscopios, por ejemplo. Además, el controlador 165 puede estar en una comunicación continua o intermitente con, y puede enviar los datos recogidos a, un servidor 170 central. Como la estructura particular de un exoesqueleto para el uso en conexión con la presente invención puede tomar varias formas conocidas en la técnica, no se detallará adicionalmente en el presente documento.

Volviendo a la figura 2A, se muestra a un fisioterapeuta 200 observando al paciente 130 y al exoesqueleto 100 que tiene una porción de tronco (no etiquetada de forma separada) de acuerdo con un primer modo de realización de la presente invención. Tal y como se muestra en esta disposición de exoesqueleto particular, el paciente 130 se acopla al exoesqueleto 100 mediante la abrazadera 105 de torso, unas correas 205 de pecho, unas abrazaderas 210 y 211 de pierna superiores, unas abrazaderas 215 y 216 de pierna inferiores y unas abrazaderas 220 y 221 de pie. En algunos casos, dependiendo del estado de rehabilitación del paciente 130, el paciente 130 y el exoesqueleto 100 está soportado por arneses 225, que se conectan a las correas 205 de pecho. El fisioterapeuta 200 utiliza un dispositivo 230 de control o de interfaz, mostrado como un ordenador portátil en la figura 2A, para transmitir órdenes al sistema de control de exoesqueleto (por ejemplo, el controlador 165) del exoesqueleto 100 para provocar que el exoesqueleto 100 se conecte en sus movimientos, con el accionador 145 de cadera efectuando movimientos alrededor de la articulación 150 de cadera y el accionador 155 de rodilla efectuando movimientos alrededor de la articulación 160 de rodilla. Cuando el accionador 145 de cadera provoca movimientos alrededor de la articulación 150 de cadera, se ejerce una fuerza contra una parte superior de pierna del paciente 130 a través de la abrazadera 210 de pierna, incluyendo el movimiento de la parte superior de pierna con respecto al torso 135 del paciente 130. De forma similar, cuando el accionador 155 de rodilla provoca el movimiento alrededor de la articulación 160 de rodilla, se ejerce una fuerza contra una parte inferior de pierna del paciente 130 a través de la abrazadera 215 de pierna inferior, incluyendo el movimiento de la parte inferior de pierna con respecto a la parte superior de pierna del paciente 130. Se monta una pluralidad de sensores (uno de los cuales es etiquetado con 235) en varias posiciones donde el exoesqueleto 100 interactúa con el paciente 130, con la pluralidad de sensores transmitiendo información al fisioterapeuta 200 a través del dispositivo 230 de control.

La figura 2B es un diagrama de flujo que ilustra un método de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención que está dirigido al funcionamiento del exoesqueleto 100 en un modo de funcionamiento de preparación de terapia de la marcha inicial. En la etapa 240, el fisioterapeuta 200 acopla al paciente 130 al exoesqueleto 100. En la etapa 245, el fisioterapeuta 200 conecta el sistema de control de exoesqueleto, es decir, el fisioterapeuta 200 hace que se transmitan órdenes al sistema de control, estas órdenes dirigen al exoesqueleto 100 para entrar en un modo de preparación de terapia de la marcha e iniciar un movimiento o secuencia de movimientos. En la etapa 250, el sistema de control de exoesqueleto hace que el exoesqueleto 100 realice el movimiento o la secuencia de movimientos ordenado, probablemente un movimiento a baja velocidad y de baja intensidad, lo que resulta en que se ejerce una fuerza en y un movimiento del paciente 130. En la etapa 255, se emplean la pluralidad de sensores para recoger y reportar datos sobre el estado del paciente 130 al sistema de control de exoesqueleto y al fisioterapeuta 200, con estos datos que indican cosas como la cantidad de fuerza que se está ejerciendo sobre el paciente 130, la cantidad de resistencia que el cuerpo del paciente está ejerciendo contra el exoesqueleto 100, así como la información basada en la posición. En la etapa 260, el sistema de control de exoesqueleto y el fisioterapeuta 200 interpretan los datos proporcionados por la pluralidad de sensores con referencia al estado del exoesqueleto 100 y del paciente 130, con estos datos que están siendo utilizados para hacer cambios o correcciones para futuros movimientos o secuencias de movimientos del exoesqueleto. El proceso anterior se repite hasta que el fisioterapeuta 200 está satisfecho de que el paciente 130 se haya estirado, relajado o de otro modo preparado físicamente de forma adecuada para una sesión de terapia de exoesqueleto posterior en cuyo punto el fisioterapeuta 200 hace que el exoesqueleto 100 salga del modo de preparación de terapia de la marcha. En algunos modos de realización, el movimiento ejercido por el exoesqueleto 100 en el paciente 130 es un movimiento de agitación o de vibración contra los músculos y/o articulaciones del paciente 130. En otros modos de realización, el movimiento ejercido por el exoesqueleto 100 sobre el paciente 130 es un estiramiento de los músculos y/o de las articulaciones del paciente 130. En otros modos de realización más, el movimiento ejercido por el exoesqueleto 100 sobre el paciente 130 es otro tipo de movimiento diferente conocido en la técnica del fisioterapeuta, es decir, el exoesqueleto se utiliza para realizar otras funciones de manipulación del paciente del fisioterapeuta. En algunos modos de realización, el sistema de control de exoesqueleto calcula la cantidad de fuerza ejercida sobre el paciente 130, utilizando valores de par de torsión de articulación, cambio de posición y otros, preferiblemente de forma independiente de los sensores de presión.

Como un ejemplo del primer aspecto, se considera un fisioterapeuta que trabaja con un paciente parapléjico el cual, debido a una lesión, no ha movido sus piernas durante un largo periodo de tiempo. Los músculos, articulaciones y tendones de las piernas del paciente están preferiblemente rígidos. A través del uso del modo de preparación de terapia de la marcha, el fisioterapeuta es capaz de soltar y estirar las piernas del paciente antes de una sesión de terapia de exoesqueleto, lo cual mejora el beneficio de rehabilitación de la sesión de terapia de exoesqueleto para el paciente.

Con referencia ahora a la figura 3A, se muestra un fisioterapeuta 200 que observa al paciente 130 y al exoesqueleto 100, en particular en conexión con un segundo aspecto de la presente invención que se refiere a un modo o sesión de entrenamiento de equilibrio. Como en la figura 2A, el paciente 130 se acopla al exoesqueleto 100 mediante una abrazadera 105 de torso, unas correas 205 de pecho, unas abrazaderas 210 y 211 de pierna superiores, unas abrazaderas 215 y 216 de pierna inferiores y unas abrazaderas 220 y 221 de pie. En algunos casos, dependiendo del estado de rehabilitación del paciente 130, el paciente 130 y el exoesqueleto 100 están soportados por un arnés 225, que está conectado a las correas 205 del pecho. El fisioterapeuta 200 utiliza un dispositivo 230 de control, mostrado como un ordenador portátil en la figura 3A, para transmitir órdenes al sistema de control de exoesqueleto del exoesqueleto 100 para provocar que el exoesqueleto 100 se conecte en sus movimientos, con el accionador 145 de cadera efectuando movimientos alrededor de la articulación 150 de cadera y el accionador 155 de rodilla efectuando movimientos alrededor de la articulación 160 de rodilla. Cuando el accionador 145 de cadera provoca el movimiento alrededor de la articulación 150 de cadera, se ejerce una fuerza contra una porción superior de pierna del paciente 130 a través de la abrazadera 210 de pierna superior, incluyendo el movimiento de la parte superior de pierna con respecto al torso 135 del paciente 130. De forma similar, cuando el accionador 155 de rodilla provoca el movimiento alrededor de la articulación 160 de rodilla, se ejerce una fuerza contra una parte inferior de pierna del paciente 130 a través de la abrazadera 215 de pierna inferior, que incluye el movimiento de la parte inferior de pierna con respecto a la parte superior de pierna del paciente 130. En algunos casos, el paciente 130 utiliza el par de muletas descrito en conexión con la figura 1 para interactuar con el suelo con el fin de ayudar al paciente 130 con el equilibrio. Una pluralidad de sensores (uno de los cuales está etiquetado con 300) se monta en varias posiciones en el exoesqueleto 100 y el par de muletas y la pluralidad de sensores transmite información al sistema de control de exoesqueleto del exoesqueleto 100 y al fisioterapeuta 200 a través de un dispositivo 230 de control o de interfaz. La figura 3b es una vista superior del paciente 130 y del exoesqueleto 100 y muestra los diversos ángulos en el plano trasversal a través del cual se puede mover el paciente 130 y el exoesqueleto 100 o elevar el peso en el transcurso de la sesión de entrenamiento de equilibrio.

La figura 3C es un diagrama de flujo que ilustra un método de acuerdo con este aspecto de la invención. En la etapa 305, el fisioterapeuta 200 acopla el paciente 130 al exoesqueleto 100. En la etapa 310, el fisioterapeuta 200 conecta el sistema de control de exoesqueleto, es decir, el fisioterapeuta 200 hace que se transmitan órdenes, tales como a través del dispositivo 230 de interfaz de control, al sistema de control, con estas órdenes dirigiendo al exoesqueleto 100 para entrar en un modo de entrenamiento de equilibrio. En la etapa 315, el paciente 130 realiza un movimiento o secuencia de movimientos de entrenamiento de equilibrio. En la etapa 320, el sistema de control de exoesqueleto y la pluralidad de sensores recogen datos relacionados con el equilibrio del exoesqueleto 100 y del paciente 130. En la etapa 325, el sistema de control de exoesqueleto utiliza los datos de la etapa 320 en un algoritmo para calcular el grado de desequilibrio y el riesgo de caída con el fin de determinar qué grado de ayuda, si es necesario, debería proporcionarse por el exoesqueleto 100 para estabilizar el exoesqueleto 100 y el paciente 130. Si, en la etapa 325, el sistema de control de exoesqueleto determina que se requiere la estabilización del exoesqueleto 100, el sistema de control de exoesqueleto calcula las trayectorias de exoesqueleto requeridas y conecta los accionadores de exoesqueleto en la etapa 330, por lo tanto restableciendo la estabilidad al paciente 130 y al exoesqueleto 100. En la etapa 335, el paciente 130 recibe retroalimentación del exoesqueleto 100 de su comportamiento y equilibrio, incluyendo el grado de asistencia proporcionada por el exoesqueleto 100. El proceso anterior se repite hasta que el fisioterapeuta 200 o el paciente 130 determinan que se ha completado el entrenamiento de equilibrio. En algunos modos de realización, se utiliza un centro de presión para calcular el equilibrio de exoesqueleto basándose en la información de los sensores de presión en el pie del exoesqueleto 100 y el par de muletas. En otros modos de realización se calcula el equilibrio basándose en los ángulos de articulación de exoesqueleto o en las trayectorias de exoesqueleto. En otros modos de realización más, se calcula el equilibrio utilizando datos adicionales de acelerómetros, sensores de inclinación u otros tipos de sensores conocidos en la técnica. Se puede proporcionar una retroalimentación del exoesqueleto 100 al paciente 130 basándose en el rendimiento de equilibrio en ciertas tareas de entrenamiento de equilibrio y/o se puede proporcionar una retroalimentación en el rendimiento de equilibrio del paciente del exoesqueleto 100 al fisioterapeuta 200. El exoesqueleto 100 puede utilizar la retroalimentación detallada para dirigir al paciente 130 al equilibrio en un punto específico o múltiples puntos en una serie. Por ejemplo, el exoesqueleto 100 puede utilizar la cantidad de trabajo realizada por el paciente 130 o los datos recogidos de los sensores de presión entre el exoesqueleto 100 y el paciente 130 cuando se determinan los objetivos de puntos de equilibrio. En algunos modos de realización, el sistema de control de exoesqueleto ajusta los objetivos de equilibrio basándose en el rendimiento y el estado de rehabilitación del paciente 130 antes o durante los ejercicios de equilibrio. En algunos modos de realización, el entrenamiento de equilibrio se enfoca a enseñar a pacientes con lesiones específicas, tales como un derrame cerebral, a confiar en la pierna o el lado más débil del paciente. En algunos modos de realización, el entrenamiento de equilibrio implica que el paciente 130: este de pie sobre una pierna; marche en el lugar; cambie el peso de pierna a pierna; cambie el peso entre piernas y muletas; y/o ande hacia los lados o ande hacia atrás.

A modo de ejemplo, se considera un fisioterapeuta que trabaja con un paciente discapacitado que no ha intentado todavía una marcha mientras utiliza un exoesqueleto ambulatorio. Haciendo uso del modo de entrenamiento de equilibrio, el fisioterapeuta es capaz de enseñar al paciente cómo equilibrarse el mismo mejor y el exoesqueleto de una manera segura antes de intentar movimientos más complicados tal como caminar.

Con respecto ambos modos expuestos con referencia las figuras 2 y 3, los sensores pueden ser sensores de presión u otros tipos de sensor conocidos en la técnica. En algunos modos de realización, los sensores están ubicados en posiciones diferentes y/o adicionales que las mostradas en las figuras 2A y 3A. En ciertos modos de realización, los arneses 225 están motorizados de manera que ayudan al paciente 130 a ponerse de pie o sentarse. En cualquier caso, el paciente 130 y/o el sistema de control de exoesqueleto se encargan de alguna o todas las funciones del fisioterapeuta 200, incluyendo el uso autónomo del exoesqueleto 100 por el paciente 130 para un estiramiento, un entrenamiento de equilibrio, etc., con el sistema de control de exoesqueleto y la pluralidad de sensores proporcionando medidas de seguridad en este proceso.

Con referencia ahora la figura 4, un diagrama de flujo ilustra un método de acuerdo con un tercer aspecto de la invención en conexión con un modo de control de centro de presión. En la etapa 400, el sistema de control de exoesqueleto utiliza la pluralidad de sensores o los datos de estado o postura del exoesqueleto para calcular el centro de presión del exoesqueleto 100 y del paciente 130. En la etapa 405, el sistema de control de exoesqueleto utiliza los datos de centro de presión de la etapa 400, medidos a lo largo del tiempo, y un algoritmo para determinar si debería cambiarse el centro de presión del exoesqueleto 100 y del paciente 130. En la etapa 410, el exoesqueleto 100 incita al paciente 130 a cambiar el peso si se recomienda un cambio de peso. En la etapa 415, el paciente 130 cambia el peso manualmente en respuesta a la incitación en la etapa 410, y el sistema hace un ciclo de vuelta a la etapa 400 cuando se detecta este cambio de peso. De forma alternativa, en la etapa 420, el paciente 130 no cambia el peso en respuesta a la incitación en la etapa 410. Como resultado, en la etapa 425, el sistema de control de exoesqueleto determina que el paciente 130 no ha cambiado el peso después de un periodo de tiempo dado tras la incitación en la etapa 410. En la etapa 430, el sistema de control de exoesqueleto calcula las trayectorias de exoesqueleto necesarias para cambiar el peso de exoesqueleto a un nuevo centro de presión. En la etapa 435, el sistema de control de exoesqueleto conecta los accionadores de exoesqueleto para efectuar un cambio de peso del exoesqueleto y del paciente y el sistema hace un ciclo de vuelta a la etapa 400. En algunos modos de realización, tal como en el modo “manual”, se omiten las etapas 425, 430 y 435, y el exoesqueleto 100 sólo proporciona una retroalimentación al paciente 130 sobre la conveniencia de un cambio de peso. En otro modo de realización, tal como en un modo “automático”, el paciente 130 no es incitado para cambiar el peso, y se omiten las etapas 410, 415, 420, 425, con el exoesqueleto 100 cambiando de peso de forma automática cuando el sistema de control de exoesqueleto determina la conveniencia de hacerlo. El conocimiento del centro de presión es utilizado por la persona para sentir cuando está equilibrada sobre sus pies. Para los usuarios sin sensación de presión en sus pies, sin embargo, esta información, incluyendo los centros de presión actuales y deseados, se presenta de otras maneras. En algunos modos de realización, la retroalimentación toma forma de un sonido, una vibración, una retroalimentación visual u otros tipos de retroalimentación conocidos en la técnica. Se pueden utilizar sensores adicionales para medir el estado del paciente 130 y se tienen en cuenta para la determinación de la conveniencia de un cambio de peso junto con los datos de centro de presión a lo largo del tiempo. En algunos modos de realización, se consideran datos de dispositivos adicionales por el sistema de control de exoesqueleto, tal como sensores de presión fijados al par de muletas o los brazos del paciente 130, con estos datos siendo tenidos en cuenta para la determinación de la conveniencia de un cambio de peso. Adicionalmente, el centro de masa del sistema de exoesqueleto se puede considerar por el sistema de control de exoesqueleto.

Como un ejemplo del tercer modo de realización, se considera una persona discapacitada que está utilizando un exoesqueleto ambulatorio fuera de un entorno de fisioterapia, tal como en casa. Si esta persona, que no tiene sensación por debajo de la cintura, está utilizando el exoesqueleto para permitirle al mismo estar de pie durante largos periodos de tiempo, tal como cuando está ocupado en actividades de cocina, el exoesqueleto determinará periódicamente que la persona debería cambiar de peso y la incita para hacerlo. La persona, que de otro modo sería incapaz de sentir que ha estado soportando demasiado peso en una única pierna durante demasiado tiempo, entonces cambia el peso en respuesta a la incitación del exoesqueleto, con esta incitación tomando la forma de una señal de audio o una vibración en un área en la que la persona todavía tiene sensibilidad. Si la persona no responde a la incitación por el cambio de peso, entonces, después de un cierto periodo, el exoesqueleto cambia el peso de la persona de forma automática. De esta manera, se pueden evitar lesiones o molestias en las extremidades inferiores de la persona debido a una estancia de pie extendida en una única posición.

Volviendo a la figura 5A, un diagrama de flujo ilustra un método de acuerdo con un cuarto aspecto de modo de ciclo de trayectoria de la presente invención. En la etapa 500, el paciente 130 o el fisioterapeuta 200 inician un ciclo de trayectoria de exoesqueleto repetitivo. En la etapa 505, el sistema de control de exoesqueleto almacena una copia del ciclo de trayectoria de exoesqueleto en la memoria como un primer ciclo de trayectoria. De forma alternativa, si el ciclo de trayectoria de exoesqueleto ya se almacenó en la memoria como el primer ciclo de trayectoria, se puede omitir la etapa 505. En la etapa 510, el sistema de control de exoesqueleto crea una copia del primer ciclo de trayectoria, que se almacena en la memoria como un segundo ciclo de trayectoria. En la etapa 515, el sistema de control de exoesqueleto modifica el segundo ciclo de trayectoria para introducir un elemento de variabilidad, aleatoriedad o semialeatoriedad a los parámetros del ciclo de trayectoria. En la etapa 520, el sistema de control de exoesqueleto utiliza el ciclo de trayectoria modificado de la etapa 515 para conectar los accionadores de exoesqueleto y efectuar el movimiento de exoesqueleto durante un número de ciclos de trayectoria predeterminado (por ejemplo 1-3). Como resultado, en la etapa 525, el exoesqueleto 100 y el paciente 130 se mueven a través del ciclo de trayectoria modificado el número de veces predeterminado. En la etapa 530, se borra el ciclo de trayectoria modificado de la etapa 515 y el sistema de control realiza ciclos hasta la etapa 510, en la cual el sistema de control de exoesqueleto crea una nueva copia del primer ciclo de trayectoria, con el proceso repitiéndose en cada ciclo de trayectoria adicional o un conjunto de ciclos de trayectoria soportados por el exoesqueleto 100. Este aumento en la variabilidad de los movimientos cíclicos mejora el beneficio de rehabilitación para los pacientes. En algunos modos de realización, se alteran uno o más de los siguientes parámetros durante la modificación de un ciclo de trayectoria: Altura de paso; longitud de paso; tiempo de paso; y separación de paso. En otros modos de realización, se alteran parámetros no relacionados con el paso. En ciertos modos de realización, se limitan a ciertos parámetros seleccionables y/o restringidos por parámetros de seguridad del paciente.

Como un ejemplo del cuarto modo de realización, se considera un fisioterapeuta que trabaja con un paciente discapacitado para mejorar la habilidad de marcha del paciente. Mediante el uso del módulo de ciclo de trayectoria de la presente invención, se alteran de forma automática parámetros de paso por el exoesqueleto, resultando en un beneficio de rehabilitación mayor para el paciente y una mejora más rápida en la marcha del paciente.

Con referencia la figura 5B, se muestra un gráfico de ciclos de trayectoria modificados de ejemplo utilizados en una marcha con exoesqueleto de acuerdo con este aspecto de la invención. La altura de paso es representada en el eje Y respecto al porcentaje del tiempo de ciclo de trayectoria en el eje X, con un ciclo de trayectoria (0-100%) representando un único paso. Una línea 535 representa la altura de paso a lo largo del tiempo de un ciclo de trayectoria modificado, mientras que las líneas 540, 545, 550 y 555 representan ciclos de trayectoria modificados. En este ejemplo, al variar la altura de paso de ciclo de trayectoria tal y como se describió anteriormente en conexión con la figura 5A, cada uno de los pasos resultantes de estos ciclos de trayectoria podría tener alturas de paso de exoesqueleto y de paciente ligeramente diferentes. También, con respecto al ciclo de trayectoria modificado representado por la línea 535, el ciclo de trayectoria modificado representado por la línea 540 tiene un tiempo de paso más largo y el ciclo de trayectoria modificado representado por la línea 550 tiene un tiempo de paso más corto.

Basándose en lo anterior, debería ser fácilmente evidente que la presente invención proporciona un exoesqueleto con un beneficio de rehabilitación mejorado a través de la habilidad del exoesqueleto para realizar un estiramiento, un entrenamiento de equilibrio, un cambio de peso y ciclos de trayectoria variable. En conexión con la invención, el usuario o portador del exoesqueleto puede ser una persona discapacitada que recibe un tratamiento de un fisioterapeuta, una persona discapacitada que hace funcionar el exoesqueleto en ausencia del fisioterapeuta o incluso una persona discapacitada, tal como una persona discapacitada que trabaja con un entrenador. En cualquier caso, los diferentes modos de funcionamiento divulgados se pueden utilizar de forma individual o en varias combinaciones de forma sucesiva para mejorar la rehabilitación o el entrenamiento del usuario. Aunque se describe con referencia a modos de realización preferidos, debería entenderse fácilmente que se podrían realizar varios cambios y modificaciones en la invención. En general, la invención sólo está destinada a estar limitada por el alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un exoesqueleto (100) que comprende:

un soporte (110) de pierna configurado para acoplarse a un portador;

un actuador (145) de cadera;

un actuador (155) de rodilla; y

un sistema (165) de control configurado para hacer que el exoesqueleto (100) entre de forma sucesiva en al menos dos modos de funcionamiento para el exoesqueleto (100), con los modos de funcionamiento que se seleccionan de uno o más de, un modo de preparación de entrenamiento de la marcha, un modo de entrenamiento de equilibrio, un modo de control de centro de presión y un modo de ciclo de trayectoria; caracterizado por que:

en donde el modo de preparación de entrenamiento de la marcha comprende las etapas de: (i) hacer que el exoesqueleto (100) entre en el modo de preparación de entrenamiento de la marcha; (ii) mover la pierna del portador con el exoesqueleto (100); (iii) hacer que el exoesqueleto salga del modo de preparación de entrenamiento de la marcha; y (iv) realizar el entrenamiento de la marcha con el exoesqueleto (100);

en donde el modo de entrenamiento de equilibrio comprende las etapas de: (i) hacer que el exoesqueleto (100) entre en el modo de entrenamiento de equilibrio; (ii) recoger datos en un estado de equilibrio del exoesqueleto (100) y del portador mientras el portador realiza un movimiento; y (iii) proporcionar retroalimentación al portador basándose en los datos recogidos en el estado de equilibrio del exoesqueleto (100) y del portador;

en donde el modo de control del centro de presión comprende las etapas de: (i) hacer que el exoesqueleto (100) entre en el modo de control de centro de presión; (ii) calcular un centro de presión del exoesqueleto (100) y del portador; y (iii) determinar si se recomienda un cambio de peso; y

en donde el modo de ciclo de trayectoria comprende las etapas de: (i) hacer que el exoesqueleto (100) entre en el modo de ciclo de trayectoria; (ii) dirigir al exoesqueleto (100) para realizar un ciclo de trayectoria una pluralidad de veces; (iii) modificar el ciclo de trayectoria para crear un primer ciclo de trayectoria modificado; y (iv) hacer que el exoesqueleto (100) realice el primer ciclo de trayectoria modificado una o más veces.

2. El exoesqueleto de la reivindicación 1, en donde mover la pierna del portador incluye realizar un movimiento de baja velocidad de la pierna del portador con el exoesqueleto (100), y/o

en donde mover la pierna del portador incluye agitar, vibrar o estirar las piernas del portador con el exoesqueleto (100).

3. El exoesqueleto de la reivindicación 1 o 2, en donde recoger datos incluye recoger datos en el estado de equilibrio del exoesqueleto (100) y del portador mientras él portador realiza uno o más de los siguientes movimientos: estar de pie sobre una pierna; marchar en el lugar; cambiar de peso de pierna a pierna; cambiar de presión entre piernas y muletas; andar hacia los lados; o andar hacia atrás;

el modo de entrenamiento de equilibrio, de forma opcional que comprende además:

calcular una cantidad de asistencia necesaria para estabilizar el exoesqueleto (100) y el portador; y proporcionar la cantidad de asistencia necesaria para estabilizar el exoesqueleto (100) y el portador,

en donde proporcionar la retroalimentación al portador incluye proporcionar información de la cantidad de asistencia necesaria para estabilizar el exoesqueleto (100) y el portador.

4. El exoesqueleto de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el modo de control de centro de presión además comprende o bien:

incitar al portador para realizar el cambio de peso si se determina que se recomienda un cambio de peso;

y opcionalmente además comprende:

determinar que el portador no ha realizado el cambio de peso;

calcular al menos una trayectoria necesaria para realizar el cambio de peso; y

realizar automáticamente el cambio de peso moviendo el exoesqueleto (100) a través de al menos una trayectoria, o de forma alternativa

calcular al menos una trayectoria necesaria para realizar el cambio de peso si se determina que se recomienda un cambio de peso; y

realizar automáticamente el cambio de peso moviendo el exoesqueleto (100) a través de la al menos una trayectoria.

5. El exoesqueleto de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dirigir el exoesqueleto (100) para realizar el ciclo de trayectoria la pluralidad de veces incluye dirigir el exoesqueleto (100) para realizar un paso la pluralidad de veces, opcionalmente donde modificar el ciclo de trayectoria incluye cambiar uno o más de los siguientes parámetros: altura de paso; longitud de paso; tiempo de paso; o separación de paso.