ES2907244T3 - Sistema avanzado de control de la marcha y procedimientos que permiten el movimiento continuo de la marcha de un dispositivo de exoesqueleto motorizado - Google Patents

Sistema avanzado de control de la marcha y procedimientos que permiten el movimiento continuo de la marcha de un dispositivo de exoesqueleto motorizado Download PDF

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Abstract

Un procedimiento de control para controlar un dispositivo de movilidad (100) que tiene una pluralidad de componentes del dispositivo de movilidad que incluyen un componente de articulación de la cadera derecha (102R) y un componente de articulación de la rodilla derecha (104R) correspondientes a una pierna derecha, y un componente de articulación de la cadera izquierda (102L) y un componente de articulación de la rodilla izquierda (104L) correspondientes a una pierna izquierda, comprendiendo el procedimiento de control las etapas de: proporcionar dicho dispositivo de movilidad (100), incluyendo además dicho dispositivo de movilidad, un sistema de control (20) para controlar el funcionamiento de los componentes del dispositivo de movilidad para configurar y modular selectivamente los componentes de la articulación de la cadera (102R, 102L) y la rodilla (104R, 104L) para realizar un ciclo de marcha; proporcionar dentro de dicho dispositivo de movilidad una aplicación de control (26) para ser ejecutada por el sistema de control (20) para controlar el ciclo de la marcha; proporcionar dentro de dicho dispositivo de movilidad una pluralidad de sensores (36) para detectar un estado de los componentes de la articulación de la cadera (102R, 102L) y la rodilla (104R, 104L) para determinar una posición angular de la pierna derecha y la pierna izquierda durante el ciclo de la marcha; y ejecutar la aplicación de control (26) con el sistema de control (20) para realizar además las etapas de: detectar al menos uno de una posición angular o una velocidad angular de una pierna de apoyo durante el paso durante un estado dinámico de apoyo simple del ciclo de marcha que comprende un estado de paso en el que una pierna se balancea mientras la pierna opuesta es la pierna de apoyo durante el paso; determinar si la posición angular o la velocidad angular satisfacen un umbral de marcha avanzada; y cuando se determina que la posición angular o la velocidad angular satisface el umbral de marcha avanzada, el sistema de control (20) emplea un control de marcha avanzada de los componentes de la articulación de la cadera y de la rodilla mediante el cual se determina iniciar la marcha durante un estado dinámico de apoyo simple anterior que comprende un estado de marcha en el que una pierna se balancea mientras que la pierna opuesta es la pierna de apoyo durante la marcha, iniciando así un movimiento de marcha en el que los pasos se dan sustancialmente en sucesión inmediata para minimizar la duración de los estados de doble apoyo en los que ambas piernas están en posición de apoyo entre los estados dinámicos de apoyo simple.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema avanzado de control de la marcha y procedimientos que permiten el movimiento continuo de la marcha de un dispositivo de exoesqueleto motorizado
Campo de la invención
La presente invención se refiere a sistemas de control electrónico para un dispositivo de asistencia a la movilidad, como por ejemplo un dispositivo de movilidad de piernas o dispositivo "exoesqueleto", que incluye sistemas de control y procedimientos para el control avanzado de la marcha que permiten un movimiento de marcha continuo en dicho dispositivo exoesqueleto motorizado.
Antecedentes de la invención
En la actualidad, existen varios cientos de miles de personas con lesiones medulares en los Estados Unidos, con aproximadamente 12.000 nuevas lesiones sufridas cada año a una edad media de lesión de 40,2 años. De ellos, aproximadamente el 44% (unos 5.300 casos al año) resultan en paraplejia. Uno de los impedimentos más importantes de la paraplejia es la pérdida de movilidad, sobre todo teniendo en cuenta la edad relativamente temprana a la que se producen estas lesiones. Las encuestas realizadas a usuarios con paraplejia indican que los problemas de movilidad están entre los más frecuentes, y que el principal deseo de movilidad es poder caminar y estar de pie. Además de una movilidad reducida, la incapacidad de estar de pie y caminar conlleva graves efectos fisiológicos, como atrofia muscular, pérdida de contenido mineral óseo, frecuentes problemas de descomposición de la piel, mayor incidencia de infecciones del tracto urinario, espasticidad muscular, deterioro de la circulación linfática y vascular, deterioro del funcionamiento digestivo y reducción de la capacidad respiratoria y cardiovascular. Además de la paraplejia completa, las condiciones de salud debilitantes, como los accidentes cerebrovasculares y otras deficiencias vasculares y neurológicas, pueden perjudicar sustancialmente la movilidad y tener los efectos fisiológicos secundarios adicionales.
En un esfuerzo por restaurar algún grado de movilidad de las piernas a los individuos con paraplejia u otras formas de deterioro de la movilidad, se han desarrollado varias órtesis de extremidades inferiores. La forma más sencilla de este tipo de dispositivos es la ortopedia pasiva con órtesis de pierna larga que incorpora un par de órtesis de tobillopie (AFO) para proporcionar apoyo en los tobillos, que se acoplan con órtesis de pierna que bloquean las articulaciones de la rodilla en extensión completa. Las caderas suelen estar estabilizadas por la tensión de los ligamentos y la musculatura de la cara anterior de la pelvis. Dado que casi toda la energía para el movimiento la proporciona la parte superior del cuerpo, estas órtesis pasivas requieren una fuerza considerable de la parte superior del cuerpo y un alto nivel de esfuerzo físico, y proporcionan velocidades de marcha muy lentas.
Para disminuir el alto nivel de esfuerzo asociado a las órtesis pasivas, se ha desarrollado el uso de órtesis motorizadas, que incorporan actuadores y motores de accionamiento asociados a una fuente de alimentación para ayudar a la locomoción. Se ha demostrado que estas órtesis eléctricas aumentan la velocidad de la marcha y disminuyen los movimientos compensatorios, en relación con la marcha sin asistencia eléctrica.
El uso de órtesis con motor presenta una oportunidad para el control electrónico de las órtesis. Sin embargo, los dispositivos de exoesqueleto hasta la fecha han carecido de sistemas de control completos que también sean fáciles de usar para maximizar la eficacia y la comodidad de un dispositivo de exoesqueleto de movilidad de piernas. Se conocen ejemplos de órtesis motorizadas. Los documentos WO/2010/044087, US 2010/0094188 y US 8,096,965 divulgan un sistema de arriostramiento de exoesqueleto motorizado/sistema de arriostramiento de exoesqueleto. Sin embargo, estos dispositivos del estado de la técnica han sido insuficientes para un control exhaustivo y fácil de usar del dispositivo exoesqueleto. Se ha intentado proporcionar al menos un control generalizado de un dispositivo de exoesqueleto, incluyendo la provisión de indicaciones de seguridad. Por ejemplo, el documento US 8,905,955 B2 divulga un procedimiento de control de un sistema de arriostramiento del exoesqueleto que comprende detener el accionamiento de las articulaciones motorizadas cuando una señal recibida de un sensor de inclinación indica que se está cayendo. Estos procedimientos se describen completamente en el contexto de las transiciones de pie y sentado.
El documento WO/2013/142777 divulga un procedimiento de control de una órtesis de extremidad inferior motorizada, en el que el soporte de la pierna incluye un segmento del muslo, un segmento de la canilla, comprendiendo además la estimación de un ángulo del segmento de la canilla con respecto a la vertical. El dispositivo se controla para dar un paso cuando el ángulo de la canilla supera un umbral con respecto a la gravedad, y el sistema comprende además la señalización al usuario cuando coloca la órtesis en un estado correspondiente a dar un paso, realizándose la señal generalmente mediante un tono auditivo, una vibración háptica o una señal visual. El documento WO/2013/142777 también divulga un procedimiento relacionado de control de una órtesis de extremidad inferior motorizada, en el que el soporte de la pierna incluye un segmento de muslo, un segmento de canilla. El procedimiento comprende la estimación de un ángulo del segmento de la canilla con respecto a la vertical, y el dispositivo da un paso cuando el ángulo de la canilla supera un umbral con respecto a la gravedad. El procedimiento comprende además el cálculo de una trayectoria media del centro de presión a lo largo del tiempo, el cálculo de la variación de esa localización a lo largo del tiempo y la generación de una puntuación de competencia.
El procedimiento comprende además restringir qué estados del exoesqueleto pueden alcanzarse basándose en al menos un umbral de dicha cantidad de variación.
El control del exoesqueleto para caminar ocurre convencionalmente como un conjunto ordenado de estados estáticos y de paso para construir un ciclo de marcha. Los estados suelen alternar entre los estados de "doble apoyo", que son estados estáticos en los que ambos pies están plantados en el suelo, y los estados de "marcha" o "apoyo simple", que son estados dinámicos en los que un pie está en el suelo y una pierna se balancea, o en otras palabras, una pierna está en estado de apoyo y la otra en estado de balanceo en movimiento. Los estados estáticos de ejemplo incluyen estados de doble apoyo con el pie izquierdo hacia adelante o el pie derecho hacia adelante. Algunos ejemplos de estados dinámicos son el paso a la derecha y el paso a la izquierda. El movimiento biomecánico se controla entonces mediante ciclos a través de estos estados en sucesión, (por ejemplo, paso a la derecha (dinámico), derecha hacia adelante (estático), paso a la izquierda (dinámico), izquierda hacia adelante (estático)), y así sucesivamente, donde el movimiento de la articulación se ordena durante los estados dinámicos y donde el movimiento de la articulación se inicia típicamente durante los estados estáticos.
Ejemplificando lo anterior, en un primer tipo de control denominado "marcha estándar", se toma la decisión de pisar durante el estado de doble apoyo estático basándose principalmente en umbrales de posición angular relacionados particularmente con una pierna adelantada en el estado de apoyo. Dicha posición puede estar asociada a un centro de presión, que básicamente es el centro de gravedad del usuario proyectado hacia el suelo. Un punto de equilibrio para el centro de presión entre el despegue de la punta del pie y el golpe de talón proporciona puntos finales de velocidad para los estados de balanceo y postura de las piernas, y la decisión de dar un paso podría basarse en el centro de presión durante los estados estáticos de postura de doble apoyo. Se puede prever un retardo en el paso del estado de doble apoyo (estático) y el estado de balanceo de un solo apoyo (dinámico), y la decisión de dar un paso se tomaría durante el estado estático de doble apoyo. Aunque este enfoque es seguro, también es limitante, ya que el movimiento de las articulaciones no se produce durante los estados estáticos mientras se determina la intención del usuario (es decir, mientras el usuario está de pie en doble apoyo), y las velocidades de las articulaciones caen en previsión de tales fases (es decir, al principio y al final de un paso). El resultado es una acción de paso un poco "torpe" o no suave en la que un período de tiempo significativo, también conocido como el tiempo de permanencia, se gasta en el estado estático de doble apoyo entre los pasos.
En una variación del control de la marcha estándar, la velocidad angular media de la pierna adelantada puede ser considerada como un parámetro adicional con la posición angular. El ángulo del muslo y la velocidad, en particular, pueden emplearse para determinar si se activa un paso en lugar del centro de presión. Sin embargo, al igual que la marcha estándar convencional, la decisión de pisar o no en esta variación se toma durante el estado estático, cuando no se produce ningún movimiento de las articulaciones del dispositivo, lo que sigue requiriendo un tiempo de permanencia significativo. En consecuencia, aunque el uso adicional de la velocidad angular permite un disparo de paso más rápido cuando hay una mayor velocidad angular, es decir, cuando el usuario es capaz de moverse más rápido, la naturaleza general de la marcha sigue siendo esencialmente torpe debido al tiempo de permanencia significativo gastado en el estado estático de doble apoyo.
Un ejemplo de exotraje blando se describe en el documento US2018/008502. La retroalimentación de los sensores se utiliza para determinar un perfil adecuado para el accionamiento de un sistema robótico vestible que proporcione la asistencia de movimiento articular deseada. Otro ejemplo de sistema de control para una ayuda a la movilidad se describe en el documento US2012/172770 en el que el sistema de control comprende una interfaz de usuario, un componente de memoria para almacenar datos de movimiento preprogramados, y un controlador de actuador. El sistema de control también comprende un subsistema de terreno para ajustar los movimientos del actuador al detectar un cambio en la pendiente del terreno y un subsistema de control del equilibrio para ajustar periódicamente el equilibrio del exoesqueleto durante el movimiento relativo de uno o más actuadores.
Sumario de la invención
La presente invención está dirigida a un sistema de control y procedimientos para el control avanzado de la marcha en un dispositivo de exoesqueleto motorizado. Se implementa un procedimiento de control para un dispositivo de exoesqueleto ortopédico de las extremidades inferiores en el que al menos una articulación está siempre en movimiento durante el ciclo de la marcha. En las realizaciones ejemplares, la articulación en movimiento se caracteriza por la flexión de la rodilla desde la postura hasta el balanceo, y/o la extensión de la cadera desde el balanceo hasta la postura, produciendo así un movimiento de piernas que es: (1) de naturaleza continua, y (2) iniciada durante las fases dinámicas de la marcha, es decir, los estados dinámicos de apoyo simple, y no durante los estados estáticos de apoyo doble, como es convencional.
Los procedimientos avanzados de control de la marcha de la presente divulgación, en contraste con el control de la marcha estándar descrito anteriormente, permiten que el movimiento de la articulación se inicie durante el estado dinámico anterior, de tal manera que los estados estáticos intermedios son innecesarios y el tiempo de permanencia se reduce sustancialmente o se elimina. Por ejemplo, la decisión de dar un paso a la izquierda se determina mientras se da un paso a la derecha, en contraposición a después de que se haya dado un paso a la derecha y todas las articulaciones hayan llegado a descansar en el estado estático de doble apoyo (por ejemplo, mientras se está en el estado estático de pie derecho hacia delante). De este modo, cualquier retraso en el movimiento que se hubiera producido de otro modo debido al cese del movimiento de la articulación se hace innecesario, y el retraso para determinar la intención del usuario se elimina efectivamente. Además, como no es necesario que el movimiento de la articulación cese entre estados dinámicos, el movimiento de la articulación puede producirse o continuar en previsión del siguiente estado dinámico. El efecto general del control avanzado de la marcha es producir un movimiento continuo que permita una mayor velocidad de marcha, lo que depende de la determinación fiable de la intención del usuario durante los estados dinámicos.
El control avanzado de la marcha también puede utilizarse junto con los enfoques convencionales de la marcha estándar descritos anteriormente, lo que permite al usuario pasar de cadencias más lentas y staccato, como las definidas por el control estándar de la marcha, en las que los pasos están separados por periodos de descanso con un tiempo de permanencia significativo, a las cadencias más rápidas y legato definidas por el control avanzado de la marcha, en las que los pasos fluyen de forma más continua entre sí con un tiempo de permanencia mínimo en estado estático. Estas transiciones dependen de la determinación de la rapidez con la que se producen los pasos posteriores.
Un aspecto de la invención, por lo tanto, es un procedimiento de control para un dispositivo de asistencia a la movilidad que emplea el control avanzado de la marcha, como se define en las reivindicaciones adjuntas. En realizaciones ejemplares, el procedimiento de control emplea las siguientes etapas: proporcionar dicho dispositivo de movilidad que incluye un sistema de control para controlar el funcionamiento de los componentes del dispositivo de movilidad para configurar y modular selectivamente los componentes de la articulación de la cadera y la rodilla para realizar un ciclo de marcha; proporcionar dentro de dicho dispositivo de movilidad una aplicación de control para ser ejecutada por el sistema de control para controlar el ciclo de marcha; y proporcionar dentro de dicho dispositivo de movilidad una pluralidad de sensores para detectar un estado de los componentes de la articulación de la cadera y la rodilla para determinar una posición angular de la pierna derecha y la pierna izquierda durante el ciclo de marcha. El sistema de control ejecuta la aplicación de control para llevar a cabo las etapas de: detectar al menos una de las posiciones angulares o una velocidad angular de una pierna de apoyo/arrastre durante un estado dinámico de apoyo simple del ciclo de marcha; determinar si la posición angular o la velocidad angular satisface un umbral de marcha avanzado; y cuando se determina que la posición angular o la velocidad angular satisface el umbral de marcha avanzado, el sistema de control emplea un control de marcha avanzado de los componentes de la articulación de la cadera y la rodilla mediante el cual se minimiza la duración de los estados de doble apoyo entre los estados dinámicos de apoyo simple.
Para el control avanzado de la marcha, el sistema de control controla además los componentes de la articulación de la cadera para utilizar trayectorias avanzadas de la articulación de la marcha en las que las velocidades de los componentes de la articulación de la cadera son distintas de cero para los componentes de la articulación de la cadera durante las transiciones de los estados de balanceo a los estados de apoyo del ciclo de la marcha, y en las que las velocidades de los componentes de la articulación de la rodilla son distintas de cero para los componentes de la articulación de la rodilla durante las transiciones de los estados de apoyo a los estados de balanceo del ciclo de la marcha. De esta manera, el sistema de control controla los componentes de las articulaciones de la rodilla y de la cadera de tal manera que cada paso del ciclo de la marcha se mezcla con el siguiente paso mediante la extensión del componente de la cadera a la postura y/o la flexión del componente de la rodilla a la postura, y al menos un componente de la articulación está siempre en movimiento durante el ciclo de la marcha. Cuando se determina que la posición angular y la velocidad angular no satisfacen el umbral de la marcha avanzada, el sistema de control emplea un control de la marcha estándar en el que los estados de doble apoyo se mantienen entre los estados dinámicos de apoyo simple, y la decisión de dar un paso se toma detectando una posición angular de la pierna adelantada durante el estado de doble apoyo.
Estas y otras características de la presente invención serán evidentes con referencia a la siguiente descripción y a los dibujos adjuntos. En la descripción y los dibujos, se han divulgado en detalle realizaciones particulares de la invención como indicativas de algunas de las formas en que pueden emplearse los principios de la invención, pero se entiende que la invención no está limitada en su alcance. La invención se define por las reivindicaciones adjuntas. Los ejemplos, aspectos y realizaciones, si los hay, divulgados en la siguiente descripción que no entran en el alcance de las reivindicaciones son sólo de referencia, y deben interpretarse como ejemplos útiles para comprender diversas realizaciones de la invención.
Breve descripción de los dibujos
La Fig. 1 es un dibujo que representa un dispositivo exoesqueleto ejemplar que lleva un usuario.
La Fig. 2 es un dibujo que representa una vista en perspectiva de un exoesqueleto ejemplar en posición de pie. La Fig. 3 es un dibujo que representa una vista en perspectiva del dispositivo ejemplar de exoesqueleto en posición sentada.
La Fig. 4 es un dibujo que representa una vista frontal del dispositivo ejemplar de exoesqueleto en posición de pie.
La Fig. 5 es un dibujo que representa una vista lateral del dispositivo ejemplar de exoesqueleto en posición de pie.
La Fig. 6 es un dibujo que representa una vista posterior del dispositivo exoesqueleto ejemplar en posición de pie.
La Fig. 7 es un dibujo que representa un diagrama de bloques esquemático de partes operativas de un sistema de control ejemplar y componentes electrónicos relacionados de un dispositivo de movilidad de acuerdo con las realizaciones de la presente invención.
La Fig. 8 es una representación gráfica del ángulo del componente de la articulación de la cadera en función del tiempo a lo largo de diferentes etapas de la marcha para el componente de la articulación de la cadera derecha y el componente de la articulación de la cadera izquierda del dispositivo exoesqueleto, y una representación gráfica correspondiente del ángulo del componente de la articulación de la rodilla en función del tiempo a lo largo de esas diferentes etapas de la marcha para el componente de la articulación de la rodilla derecha y el componente de la articulación de la rodilla izquierda de un dispositivo exoesqueleto.
Descripción detallada
Las realizaciones de la presente invención se describirán ahora con referencia a los dibujos, en los que se utilizan números de referencia similares para referirse a elementos similares. Se entiende que las figuras no están necesariamente a escala.
Para el contexto, las Figs. 1-6 representan varias vistas de un dispositivo ejemplar de exoesqueleto que puede utilizarse en relación con el sistema de control y los procedimientos de la presente invención. A título ilustrativo, se ofrece aquí una descripción algo generalizada de dicho dispositivo exoesqueleto. Se puede encontrar una descripción más detallada de dicho dispositivo en la solicitud de patente internacional del solicitante. No PCT/US2015/023624 presentada el 3 de marzo de 2015. Se apreciará, sin embargo, que el dispositivo exoesqueleto descrito presenta un ejemplo de uso, y que el sistema de control y los procedimientos de la presente invención no se limitan a ninguna configuración particular de un dispositivo exoesqueleto. Se pueden realizar variaciones en el dispositivo de exoesqueleto, mientras que las características de la presente invención siguen siendo aplicables. Además, los principios de esta invención pueden aplicarse en general a cualquier dispositivo de movilidad adecuado. Dichos dispositivos de movilidad incluyen, por ejemplo, dispositivos ortopédicos que ayudan a la movilidad de personas sin uso o con uso limitado de una determinada porción del cuerpo, y dispositivos protésicos, que esencialmente proporcionan un reemplazo electromecánico de una parte del cuerpo que no está presente, como puede ser utilizado por un amputado o una persona que carece congénitamente de una porción del cuerpo.
Como se muestra en la Fig. 1, un dispositivo de exoesqueleto 10, que también puede ser referido en la técnica como un "dispositivo robótico para llevar puesto", puede ser llevado por un usuario. Para sujetar el dispositivo al usuario, el dispositivo 10 puede incluir dispositivos de sujeción 11 para fijar el dispositivo al usuario mediante cinturones, lazos, correas o similares. Además, para la comodidad del usuario, el dispositivo 10 puede incluir un acolchado 12 dispuesto a lo largo de cualquier superficie que pueda entrar en contacto con el usuario. El dispositivo 10 puede utilizarse con una ayuda para la estabilidad 13, como muletas, un andador o similares.
Un dispositivo ejemplar de exoesqueleto de movilidad de piernas se ilustra como una órtesis de miembro inferior motorizada 100 en las Figs. 2-6. En concreto, la órtesis 100 mostrada en las Figs. 2-6 puede incorporar cuatro componentes de accionamiento configurados como dispositivos electromotores (por ejemplo, motores eléctricos), que imponen pares de torsión en el plano sagital en cada uno de los componentes de la articulación de la rodilla y la cadera, incluidos los componentes de la articulación de la cadera (derecha e izquierda) 102R, 102L y los componentes de la articulación de la rodilla 104R, 104L. La Fig. 2 muestra la órtesis 100 en posición de pie, mientras que la Fig. 3 muestra la órtesis 100 en posición sentada.
Como se ve en las figuras, la órtesis contiene cinco conjuntos o módulos, aunque uno o más de estos módulos pueden omitirse y pueden añadirse otros módulos (por ejemplo, módulos de brazo), que son: dos conjuntos (módulos) de pierna inferior (derecha e izquierda) 106R y 106l , dos conjuntos de muslo (izquierda y derecha) 108R y 108L, y un conjunto de cadera 110. Cada conjunto de muslo 108R y 108L incluye una carcasa de conjunto de muslo 109R y 109l respectiva, y un enlace, conector o acoplador 112R y 112L que se extiende desde cada una de las articulaciones de rodilla 104R y 104L y está configurado para moverse de acuerdo con el funcionamiento de las articulaciones de rodilla 104R y 104L para proporcionar un par de torsión en el plano sagital en las articulaciones de rodilla 104R y 104L.
Los conectores 112R y 112L pueden estar configurados además para acoplar mecánicamente de forma segura cada uno de los conjuntos de muslo 108R y 108L a los respectivos conjuntos de pierna 106R y 106L. Además, cada conjunto de muslo 108R y 108L incluye también un enlace, conector o acoplador 114R y 114L, respectivamente, que se extiende desde cada uno de los componentes de la articulación de la cadera 102R y 102L y se mueve de acuerdo con el funcionamiento de los componentes de la articulación de la cadera 102R y 102L para proporcionar un par de torsión en el plano sagital en los componentes de la articulación de la rodilla 104R y 104L. Los conectores 114R y 114L pueden además estar configurados para acoplar mecánicamente de forma segura cada uno de los conjuntos de muslo 108R y 108L al conjunto de cadera 110.
En algunas realizaciones, los diversos componentes del dispositivo 100 pueden ser dimensionados para el usuario. Sin embargo, en otras realizaciones los componentes pueden ser configurados para acomodar una variedad de usuarios. Por ejemplo, en algunas realizaciones se pueden disponer uno o más elementos de extensión entre los conjuntos de la parte inferior de la pierna 106R y 106l y los conjuntos del muslo 108R y 108L para acomodar a los usuarios con extremidades más largas. En otras configuraciones, las longitudes de los dos conjuntos de la parte inferior de la pierna 106R y 106L, los dos conjuntos del muslo 108R y 108L, y un conjunto de la cadera 110 pueden ser ajustables. Es decir, las carcasas del conjunto de muslo 109R, 109L, las carcasas del conjunto de la parte inferior de la pierna 107R y 107L para los conjuntos de la parte inferior de la pierna 106R, 106L, respectivamente, y la carcasa del conjunto de la cadera 113 para el conjunto de la cadera 110 pueden configurarse para permitir al usuario o al profesional médico ajustar la longitud de estos componentes en el campo. Por ejemplo, estos componentes pueden incluir secciones deslizables o móviles que se pueden mantener en una o más posiciones utilizando tornillos, clips o cualquier otro tipo de sujetadores. En vista de lo anterior, los dos conjuntos de la parte inferior de la pierna 106R y 106L, los dos conjuntos del muslo 108R y 108L, y un conjunto de la cadera 110 pueden formar un sistema modular que permite sustituir selectivamente uno o más de los componentes de la órtesis 100 y crear una órtesis para un usuario sin necesidad de componentes personalizados. Esta modularidad también puede facilitar en gran medida el procedimiento para ponerse y quitarse el dispositivo.
En la órtesis 100, cada carcasa del conjunto del muslo 109R, 109L puede incluir sustancialmente todos los componentes de accionamiento para operar y conducir los correspondientes componentes de la articulación de la rodilla 104R, 104L y los componentes de la articulación de la cadera 102R, 102L. En particular, cada una de las carcasas del conjunto del muslo 109R, 109L puede incluir componentes de accionamiento configurados como dos dispositivos motrices (por ejemplo, motores eléctricos) que se utilizan para accionar las articulaciones de los componentes de la cadera y la rodilla. Sin embargo, las diversas realizaciones no están limitadas en este sentido, y algunos componentes de accionamiento pueden estar situados en el conjunto de la cadera 110 y/o en los conjuntos de la parte inferior de la pierna 106R, 106L.
Una batería 111 para proporcionar energía a la órtesis puede estar ubicada dentro de la carcasa del conjunto de cadera 113 y los conectores 114R y 114L también pueden proporcionar medios para conectar la batería 111 a cualquier componente de accionamiento dentro de cualquiera de los conjuntos de muslo 108R y 108L. Por ejemplo, los conectores 114R y 114L pueden incluir cables, contactos, o cualquier otro tipo de elementos eléctricos para conectar eléctricamente la batería 111 a los componentes eléctricos de los conjuntos de muslo 108R y 108L. En las diversas realizaciones, la colocación de la batería 111 no se limita a estar dentro de la carcasa del conjunto de cadera 113. Más bien, la batería puede ser una o más baterías ubicadas dentro de cualquiera de los conjuntos de la órtesis 100.
Los componentes de accionamiento referidos pueden incorporar sensores adecuados y dispositivos de control o controlador electrónico interno relacionados para su uso en el control del dispositivo de exoesqueleto. Dichos dispositivos de control interno pueden funcionar utilizando la información sensorial procedente de la detección de señales posturales, mediante la cual el dispositivo de control interno hará que el dispositivo exoesqueleto entre automáticamente en modos de funcionamiento generalizados, como sentarse, estar de pie, caminar, funcionamiento de asistencia variable, y transiciones entre estos modos o estados generalizados (por ejemplo, de estar sentado a estar de pie, de estar de pie a caminar, de estar de pie a estar sentado, etc.) y transición de pasos (por ejemplo, paso derecho, paso izquierdo). Los dispositivos de control electrónico interno pueden realizar además operaciones de mitigación de caídas y de recuperación para el dispositivo exoesqueleto, como se describe, por ejemplo, en la Solicitud de Patente Internacional del Solicitante N° PCT/US2016/016319 presentada el 3 de febrero de 2016.
Los dispositivos de control electrónico interno y la electrónica relacionada pueden incorporar o incluir además una interfaz de comunicaciones del dispositivo de asistencia a la movilidad que está configurada para transmitir y recibir señales a través de una interfaz de señales electrónicas. En algunas realizaciones ejemplares, la interfaz de comunicaciones del dispositivo de movilidad puede comunicarse electrónicamente a través de una interfaz inalámbrica mediante la transmisión de señales a una interfaz de comunicaciones de un dispositivo de comunicación electrónica que incluye una aplicación de control para controlar los componentes de accionamiento del dispositivo de movilidad y la recepción de dichas señales.
Para realizar dichas operaciones, los sistemas de accionamiento y el dispositivo de control interno del dispositivo de asistencia a la movilidad pueden emplear el uso de acelerómetros, giroscopios, medición inercial y otros sensores para detectar y observar las orientaciones, ángulos y/o velocidades angulares de la parte superior de la pierna, la cadera y la rodilla. El dispositivo de control interno puede entonces controlar selectivamente los componentes de accionamiento para modular los componentes de la articulación, y en particular los componentes de la articulación de la rodilla y la cadera, para aplicar un par de torsión, implementar estados bloqueados o liberados, o efectuar de otro modo el posicionamiento o el movimiento de los componentes de la articulación para controlar el dispositivo del exoesqueleto para el funcionamiento de los modos o para la mitigación de las caídas.
Para implementar las características de la presente invención, el dispositivo exoesqueleto u otro dispositivo de movilidad puede incluir un sistema de control que tiene uno o más dispositivos procesadores que están configurados para ejecutar código de programa almacenado en un medio legible por ordenador no transitorio que incorpora los procedimientos de control asociados con el control generalizado del dispositivo exoesqueleto, incluyendo las operaciones de control de la presente invención. Será evidente para una persona experta en la materia de la programación informática de dispositivos electrónicos cómo programar el dispositivo de control electrónico para operar y llevar a cabo funciones lógicas asociadas con la presente invención. Por lo tanto, en aras de la brevedad, se han omitido los detalles sobre el código de programación específico. Además, la funcionalidad del controlador podría llevarse a cabo a través de hardware dedicado, firmware, software, o cualquier combinación de los mismos, sin apartarse del ámbito de la invención. Por lo tanto, como comprenderá un experto en la materia, el sistema de control puede tener varias implementaciones. Por ejemplo, el sistema de control puede configurarse como cualquier dispositivo procesador adecuado, como un circuito programable, un circuito integrado, circuitos de memoria y E/S, un circuito integrado de aplicación específica, un microcontrolador, un dispositivo lógico programable complejo, otros circuitos programables o similares. El sistema de control también puede incluir un medio no transitorio legible por ordenador, como una memoria de acceso aleatorio (RAM), una memoria de sólo lectura (ROM), una memoria de sólo lectura programable y borrable (EPROM o memoria Flash), o cualquier otro medio adecuado. Las instrucciones para realizar los procedimientos descritos a continuación pueden almacenarse en el medio no transitorio legible por ordenador y ejecutarse por el dispositivo procesador.
La Fig. 7 es un dibujo que representa un diagrama de bloques esquemático de porciones operativas de un sistema de control ejemplar 20 y componentes electrónicos relacionados de acuerdo con las realizaciones de la presente invención, que es un componente del dispositivo de asistencia a la movilidad como el dispositivo de exoesqueleto de las figuras anteriores. El sistema de control 20 puede incluir un circuito de control primario 22 que está configurado para llevar a cabo diversas operaciones de control relacionadas con el control del dispositivo exoesqueleto. El circuito de control 22 puede incluir un procesador electrónico 24, como una CPU, un microcontrolador o un microprocesador. Entre sus funciones, para implementar las características de la presente invención, el circuito de control 22 y/o el procesador electrónico 24 pueden comprender un controlador electrónico que puede ejecutar un código de programa incorporado como la aplicación de control del exoesqueleto 26. Será evidente para una persona que tenga una habilidad ordinaria en la técnica de la programación de ordenadores, y específicamente en la programación de aplicaciones para dispositivos electrónicos y de comunicación, cómo programar el dispositivo para operar y llevar a cabo funciones lógicas asociadas con la aplicación 26. Por lo tanto, en aras de la brevedad, se han omitido los detalles sobre el código de programación específico.
La aplicación de control del exoesqueleto 26 puede almacenarse en un medio legible por ordenador no transitorio, como una memoria de acceso aleatorio (RAM), una memoria de sólo lectura (ROM), una memoria de sólo lectura programable y borrable (EPROM o memoria Flash), o cualquier otro medio adecuado. En el ejemplo de la Fig. 7, la aplicación de control del exoesqueleto 26 se muestra como almacenada internamente dentro de los componentes de procesamiento, pero la aplicación también puede almacenarse en un dispositivo de memoria adicional, como la memoria 30. Las instrucciones para realizar los procedimientos descritos a continuación que están almacenadas en el medio legible por ordenador no transitorio pueden ser ejecutadas por los componentes del procesador 22 y 24. Además, aunque el código puede ser ejecutado por el circuito de control 22 o el procesador 24 de acuerdo con una realización ejemplar, dicha funcionalidad del controlador también podría llevarse a cabo a través de hardware dedicado, firmware, software, o combinaciones de los mismos, sin apartarse del ámbito de la invención.
El sistema de control 20 puede constituir dispositivos de control electrónico interno y componentes electrónicos relacionados incorporados en uno o más de los componentes del dispositivo exoesqueleto, y típicamente puede estar incorporado en uno o más de los componentes del conjunto del muslo o del conjunto de la cadera del dispositivo exoesqueleto. El sistema de control 20 puede incluir además una interfaz de comunicaciones 32 para la comunicación electrónica con componentes externos al sistema de control. Por ejemplo, la interfaz de comunicaciones puede proporcionar una comunicación electrónica a través de una antena 33 con un dispositivo de comunicación móvil externo, y por lo tanto puede estar configurada para transmitir y recibir señales a través de una interfaz de señal electrónica. En realizaciones ejemplares, la interfaz de comunicaciones puede comunicarse electrónicamente con un dispositivo de comunicación móvil externo a través de una interfaz inalámbrica, transmitiendo señales a los componentes de accionamiento y recibiendo señales de los mismos para controlar el dispositivo de movilidad. Un dispositivo de comunicaciones móviles y los sistemas y procedimientos de control relacionados se divulgan Appl. Internacional de Patente del Solicitante. No PCT/US2016/40304 presentado el 30 de junio de 2016.
El sistema de control 20 puede estar además en comunicación electrónica con los componentes sensoriales y de accionamiento del dispositivo de exoesqueleto. Las conexiones pueden ser conexiones cableadas a través de placas de circuito internas y otras conexiones cableadas, pero también se puede emplear la comunicación inalámbrica entre el sistema de control y/o los componentes de los sensores y de la unidad. En la Fig. 7, los componentes de accionamiento están indicados generalmente por el bloque 34, y los sensores están indicados generalmente por el bloque 36. Para recoger la información sensorial adecuada, los sensores 36 pueden incluir el uso de acelerómetros, giroscopios, medición inercial y otros sensores para detectar y observar la orientación o el ángulo de la parte superior de la pierna y el torso y la velocidad angular. Algunos ejemplos de sensores pueden ser los sensores de efecto Hall, los sensores de ángulo magnético, los sensores acelerómetros, los sensores giroscópicos, los detectores de temperatura por resistencia y otros. También puede haber uno o más sensores redundantes que correspondan respectivamente a uno o más de los sensores anteriores, y los sensores redundantes pueden proporcionar información del sensor cuando se detecta un fallo en un sensor respectivo.
El sistema de control 20 puede entonces controlar selectivamente los componentes de accionamiento 34 para configurar y modular los componentes de las articulaciones del dispositivo de exoesqueleto, y en particular los componentes de las articulaciones de la rodilla y la cadera, para aplicar un par de torsión, implementar estados bloqueados o liberados, o efectuar de otro modo el posicionamiento o el movimiento de los componentes de las articulaciones para el control del dispositivo de exoesqueleto para diversos modos de funcionamiento y para la mitigación de caídas.
Como se describe, por ejemplo, en las solicitudes de patentes anteriores referenciadas del solicitante, en el dispositivo exoesqueleto descrito el funcionamiento se automatiza generalmente sobre la base de detecciones sensoriales. Por ejemplo, para pasar de estar sentado a estar de pie, el usuario puede tirar de las piernas e inclinarse hacia delante, como hace normalmente cualquier persona cuando se prepara para ponerse de pie. Al detectar dicha posición de pre-pie, el sistema de accionamiento del exoesqueleto enviaría una señal de retroalimentación háptica al usuario, como un indicador de vibración, informando al usuario de que se producirá la transición a la posición de pie. El control del modo de funcionamiento de la movilidad (sentarse, estar de pie, caminar, etc.), y las transiciones entre los modos de movilidad, proceden como se justifica. Por lo tanto, las transiciones de modo y las operaciones de modo son operadas generalmente por los sensores que leen las señales posturales del usuario, que son interpretadas por el sistema de control que, a su vez, genera señales de control para conducir la operación de los componentes de la unidad.
El sistema de control 20 puede estar además en comunicación electrónica con una pluralidad de indicadores electrónicos 40. En la Fig. 7, los indicadores electrónicos están indicados generalmente por el bloque 40. Los indicadores electrónicos pueden incluir indicadores visuales 42 que indican aspectos del estado y funcionamiento del dispositivo mediante la iluminación. En las realizaciones ejemplares, la iluminación puede ser una iluminación codificada por colores en la que se emplean diodos emisores de luz (LED) como indicadores visuales. Los indicadores electrónicos pueden incluir además indicadores de audio 44, mediante los cuales se pueden emplear altavoces para proporcionar alertas de audio relativas a aspectos del estado y funcionamiento del dispositivo. Se pueden emplear diferentes sonidos para diferentes tipos de alertas sonoras, y se pueden utilizar en combinación con los indicadores visuales 42 para proporcionar múltiples combinaciones de indicadores correspondientes a la información relativa a diferentes aspectos del estado y funcionamiento del dispositivo. Los indicadores electrónicos pueden incluir además indicadores hápticos 46. Los indicadores hápticos 46 pueden estar configurados como generadores de vibración que proporcionan indicaciones de vibración como alertas relativas a aspectos del estado y funcionamiento del dispositivo.
El sistema de control 20 puede estar además en comunicación electrónica con una interfaz de entrada 45. La interfaz de entrada puede estar configurada como un panel de control electrónico en el dispositivo de exoesqueleto que permite las entradas del usuario para el control del dispositivo de exoesqueleto. La interfaz de entrada puede incluir uno o más botones de control 48 que pueden proporcionar una variada gama de opciones de control para un usuario, incluyendo un botón de encendido para encender y habilitar el dispositivo exoesqueleto.
El dispositivo de exoesqueleto descrito puede ser controlado de manera que realice un control avanzado de la marcha, como se describe más adelante. Los procedimientos de control de la presente invención pueden ser realizados por el sistema de control 20, por ejemplo a través del circuito de control de los componentes del procesador 22 y/o del procesador 24, ejecutando el código de programa que encarna la aplicación de control del exoesqueleto 26 almacenada en un medio legible por ordenador no transitorio. En general, por lo tanto, los aspectos de la invención se dirigen a procedimientos mejorados de control de un dispositivo de movilidad que tiene una pluralidad de componentes del dispositivo de movilidad, incluyendo al menos un componente de actuador que acciona al menos un componente de articulación, así como una pluralidad de sensores para detectar un estado del componente de actuador y del componente de articulación. Aunque los procedimientos de control ejemplares se describen a continuación como un orden específico de ejecución de los pasos lógicos funcionales, el orden de ejecución de los pasos puede cambiarse en relación con el orden descrito. Asimismo, dos o más pasos descritos sucesivamente pueden ejecutarse de forma concurrente o con concurrencia parcial. Se entiende que todas estas variaciones están dentro del ámbito de la presente invención.
Para la explicación de los procedimientos de control avanzado de la marcha, se utiliza la siguiente terminología. Una pierna está en estado de reposo cuando dicha pierna está plantada con el pie apoyado en el suelo y sin pisar. Una pierna está en estado de balanceo cuando la pierna no está plantada en el suelo y se está moviendo dinámicamente, como al pisar. Un ciclo de marcha es una serie repetida de movimientos de pisada en la que las piernas alternan entre estados de apoyo y estados de balanceo dinámico.
Durante el control de la marcha estándar, los estados de paso están separados por estados de apoyo doble en los que ambas piernas están en el estado de apoyo y no se mueven (por ejemplo, ambas piernas están estáticas en el estado de apoyo y pueden estar apoyadas en el suelo), y la duración de tal estado estático de apoyo doble se denomina tiempo de permanencia. Desde el punto de vista del funcionamiento de un dispositivo de exoesqueleto, un "estado de doble apoyo" se define como un periodo estático en el que el dispositivo de exoesqueleto está en reposo, como por ejemplo entre los movimientos de pisada y/o los estados de apoyo simple, en los que los dos pies del usuario suelen estar en el suelo. Desde el punto de vista del funcionamiento de un dispositivo de exoesqueleto, un "estado de soporte simple" se define como un periodo dinámico en el que el dispositivo de exoesqueleto está en movimiento, como por ejemplo entre posiciones de pie y/o estados de soporte doble, o entre movimientos de pisada y/o estados de soporte simple de la pierna opuesta, en los que normalmente sólo uno de los pies del usuario está en el suelo. Como se describe más adelante, el control avanzado de la marcha de la presente invención opera para reducir o eliminar sustancialmente los estados de doble apoyo, minimizando así el tiempo de permanencia. Durante un estado de apoyo simple, el paso se produce típicamente por lo que una pierna está en un estado de apoyo, mientras que la pierna opuesta se mueve en un estado de balanceo dinámico. En consecuencia, un estado de paso también se denomina estado de soporte simple dinámico.
Durante el ciclo de la marcha, una pierna tiende a estar hacia atrás en relación con la pierna opuesta en la dirección de la marcha. La pierna de atrás se denomina pierna de arrastre y la pierna opuesta se denomina pierna de adelante. Durante el paso, la pierna de apoyo se convierte en la pierna de arrastre, mientras que la pierna de balanceo se mueve a la posición de la pierna de adelante. En consecuencia, la pierna de apoyo durante el paso también se denomina pierna de apoyo/de arrastre.
En el control de la marcha avanzada de la presente invención, al menos una de las posiciones angulares o la velocidad angular de la pierna de apoyo/arrastre se detecta y se mide durante los estados dinámicos de apoyo simple para determinar si la marcha avanzada se producirá durante el siguiente paso, por ejemplo, el ángulo de la pierna izquierda se detecta y se mide durante un paso derecho para determinar si la marcha avanzada debe producirse durante el siguiente paso izquierdo. La marcha avanzada se habilita si la posición angular o la velocidad angular de la pierna de apoyo/arrastre supera un umbral durante el estado de apoyo simple dinámico, denominado aquí "umbral de marcha avanzada", que puede ser establecido manual o automáticamente por un usuario o un clínico. La velocidad angular se relaciona predominantemente con el movimiento continuo de la cadera, mientras que la posición angular se relaciona más predominantemente con el movimiento continuo de la rodilla. La dependencia de la posición angular (en relación con el movimiento continuo de la rodilla) y de la velocidad angular (en relación con el movimiento continuo de la cadera) puede implementarse como dos umbrales de marcha avanzados separados o como un umbral de marcha avanzado común con los dos parámetros operando en tándem. Al establecer el umbral o umbrales de la marcha avanzada en un entorno clínico, el umbral de la marcha avanzada se establecería inicialmente muy alto para hacer improbable el cambio del control de la marcha estándar al control de la marcha avanzada. El ajuste del umbral se reduciría entonces progresivamente hasta alcanzar un punto relativo a las capacidades del usuario en el que el cambio al control avanzado de la marcha sea adecuado para dicho usuario. De este modo, el paso del control de la marcha estándar al control de la marcha avanzado se realiza de forma segura y en consonancia con las capacidades clínicas y los objetivos de rendimiento del usuario.
El ángulo de la articulación con respecto a una línea central del usuario constituye un ángulo de inclinación mediante el cual se evalúa el posicionamiento angular de la pierna de apoyo/arrastre. El ángulo de la pierna de arrastre se rastrea entre las porciones de apoyo medio y terminal del estado de apoyo, con la pierna de arrastre en el estado de apoyo simple mientras la pierna opuesta se balancea. Esto difiere de la marcha estándar, en la que el paso se produce basándose en las medidas de la pierna de lanzamiento o adelantada (no de la pierna de arrastre) mientras se encuentra en un estado estático de doble apoyo. El umbral de la marcha avanzada tenderá a diferir entre los distintos usuarios, y se establece en función de múltiples criterios que incluyen, por ejemplo, el tamaño del usuario, la longitud del paso y la capacidad de velocidad del paso. Los sensores para medir los ángulos de las articulaciones se instalan preferentemente en el muslo o en el componente superior de la pierna del dispositivo de exoesqueleto.
Cuando se satisface el umbral de marcha avanzada y, por lo tanto, se ha habilitado el control de marcha avanzada, se producirá un paso de marcha avanzada inmediatamente después del paso observado. Cuando el umbral de la marcha avanzada no se satisface y, por tanto, no se ha activado el control de la marcha avanzada, puede producirse un retardo o tiempo de permanencia mínimo, creando así un estado de doble apoyo, tras el cual pueden activarse los pasos en el estado de doble apoyo de forma comparable al control de la marcha estándar convencional. En realizaciones ejemplares, la posición angular de la pierna adelantada puede observarse además en el estado de apoyo doble para determinar cuándo se producirá la marcha estándar para el siguiente paso. En este punto, el control ejemplar puede habilitar el control avanzado de la marcha sólo después del siguiente paso, siempre que se satisfaga el umbral de la marcha avanzada, permitiendo así la marcha avanzada durante el paso. En una realización ejemplar, para una característica de seguridad añadida o como precaución, para evitar transiciones involuntarias en el control de la marcha avanzada, el movimiento continuo no ocurrirá hasta que las condiciones para la marcha avanzada, es decir, satisfacer el umbral de la marcha avanzada, se hayan cumplido en dos o más pasos consecutivos de la marcha estándar.
Al emplear la operación anterior por la cual el control avanzado de la marcha es activado por la satisfacción del umbral avanzado de la marcha, los retrasos del estado de soporte doble o el tiempo de permanencia pueden ser sustancialmente reducidos o eliminados, reduciendo así la "torpeza" de la marcha experimentada en configuraciones convencionales que emplean sólo el control estándar de la marcha. Por lo tanto, una ventaja del control avanzado de la marcha es reducir o eliminar sustancialmente el tiempo de permanencia para una marcha más suave. Para conseguir un movimiento más continuo, al menos una articulación debe estar en movimiento en todo momento. Es decir, aunque el retraso entre pasos se reduzca sustancialmente o se elimine, el movimiento no será continuo si todas las articulaciones se detienen al principio y al final de esos pasos, como se ha hecho típicamente en el control estándar convencional de la marcha.
En consecuencia, para permitir el movimiento continuo, el control avanzado de la marcha utiliza trayectorias conjuntas en las que las velocidades conjuntas son distintas de cero para la articulación de la cadera durante las transiciones de los estados de balanceo a los estados de apoyo, y distintas de cero para la articulación de la rodilla durante la transición de los estados de apoyo a los estados de balanceo. De este modo, las trayectorias de las articulaciones durante el control avanzado de la marcha comienzan durante el estado de balanceo para la articulación de la cadera, y comienzan durante el estado de apoyo para la articulación de la rodilla. Si se utiliza una trayectoria de marcha avanzada durante el balanceo de la articulación de la cadera, le seguirá una trayectoria de marcha avanzada en el apoyo de la articulación de la cadera. En otras palabras, la marcha avanzada no se utiliza para el apoyo de la cadera a menos que esté precedida por la marcha avanzada durante el giro de la cadera. Del mismo modo, si se utiliza una trayectoria de marcha avanzada durante el apoyo de la rodilla, la trayectoria de marcha avanzada se empleará a su vez en el balanceo de la rodilla, y la marcha avanzada no se utiliza para el balanceo de la rodilla a menos que esté precedida por la marcha avanzada durante el apoyo de la rodilla. Una vez que se ha utilizado una trayectoria de marcha avanzada para la articulación de la cadera en el estado de balanceo, o la articulación de la rodilla en el estado de apoyo, el control de la marcha avanzada se emplea en los siguientes estados de apoyo de la cadera o de balanceo de la rodilla, respectivamente, independientemente de cualquier retraso intermedio. Esto se hace para garantizar que las trayectorias conjuntas sean sustancialmente continuas para minimizar los movimientos perturbadores.
Una vez que el control avanzado de la marcha ha sido habilitado, los pasos potencialmente ocurren en sucesión inmediata, con cada paso mezclado con el siguiente por medio de la extensión de la cadera a la postura, y/o la flexión de la rodilla a la postura. Para volver a la marcha estándar, el usuario ya no satisface el umbral de la marcha avanzada durante un paso determinado. En relación con las mediciones de las articulaciones, esto significa mantener la posición angular de la pierna de apoyo durante un paso determinado, de manera que la posición angular no satisfaga el umbral de la marcha avanzada para continuar con el control avanzado de la marcha. Por ejemplo, si se está dando un paso a la derecha (balanceo de la pierna derecha, postura de la pierna izquierda), el usuario puede detener el movimiento hacia delante (por ejemplo, utilizando una ayuda de estabilidad) mientras la pierna izquierda se extiende de forma que la pierna izquierda no rote con respecto al suelo y, por lo tanto, no supere el umbral de marcha avanzada durante ese paso. Para facilitar la transición del control de la marcha avanzada al control de la marcha estándar, la decisión del sistema de control de utilizar la marcha avanzada durante el apoyo de la rodilla se retrasa hasta justo antes de que se produzca la flexión terminal de la rodilla en el apoyo, lo que ocurre aproximadamente en el 80% del apoyo. Si el usuario no está más allá del umbral de marcha avanzada en este punto, incluso si el usuario superó el umbral de marcha avanzada previamente durante ese estado de apoyo, la marcha avanzada no se utilizará en la articulación de la rodilla. Dado que dicho control se basa en las mediciones y los estados de la articulación de la rodilla, se ha observado que el uso involuntario del control avanzado de la marcha durante el giro de la articulación de la cadera no suele ser perturbador.
La Fig. 8 es una representación gráfica del ángulo del componente de la articulación de la cadera en función del tiempo a lo largo de diferentes etapas de la marcha para la articulación de la cadera derecha y la articulación de la cadera izquierda del dispositivo exoesqueleto, y una representación gráfica correspondiente del ángulo del componente de la articulación de la rodilla en función del tiempo a lo largo de esas diferentes etapas de la marcha para la articulación de la rodilla derecha y la articulación de la rodilla izquierda del dispositivo exoesqueleto. Los paneles A-J corresponden a diferentes etapas de la marcha. A modo de ilustración, un sujeto comienza en un modo de marcha estándar con la pierna izquierda en estado de apoyo y la pierna derecha en estado de balanceo, por lo que los ángulos de las articulaciones de la cadera y la rodilla se alteran como se muestra en el panel A a medida que la pierna derecha se balancea. En el control de la marcha estándar, el sujeto sigue el estado de balanceo de la pierna derecha del panel A con un estado de doble apoyo estático como se muestra en el panel B, durante el cual los ángulos de las articulaciones de la cadera y la rodilla son constantes mientras el movimiento se detiene. Los paneles C y D muestran características de marcha similares del control de marcha estándar con la pierna derecha ahora en estado de apoyo en la pierna izquierda ahora en estado de balanceo (Panel C) seguido de otro estado de apoyo doble estático (Panel D). El panel E es comparable con el panel A que ilustra el siguiente paso, que es el siguiente ciclo de marcha en el que la pierna izquierda vuelve a estar en estado de apoyo con la pierna derecha en estado de balanceo. Como se ha mencionado anteriormente, el control de la marcha estándar se caracteriza por el tiempo que se pasa en los estados estáticos de doble apoyo de los paneles B y D, durante los cuales las velocidades de los ángulos de las articulaciones son cero.
La transición del panel E al panel F corresponde a la transición del control de la marcha estándar al control de la marcha avanzada. Para lograr dicha transición, se detecta y se mide una posición angular de la pierna de apoyo/arrastre durante los estados dinámicos de apoyo simple para determinar si la marcha avanzada se producirá durante el siguiente paso, por ejemplo, correspondiente al Panel E el ángulo de la pierna izquierda, como la pierna de apoyo/arrastre, se detecta y se mide durante un paso derecho (balanceo de la pierna derecha) para determinar si la marcha avanzada debe producirse durante el siguiente paso izquierdo. El control de la marcha avanzada se activa si la posición angular de la pierna de apoyo/de arrastre supera el umbral de la marcha avanzada, y se produce un paso de la marcha avanzada inmediatamente después del paso observado.
Los paneles F, G y H de la Fig. 8 ilustran etapas avanzadas de control de la marcha. Si se observa la progresión del ángulo de la cadera durante el control avanzado de la marcha, se produce una extensión de la articulación de la cadera de balanceo a postura, es decir, el componente de la articulación de la cadera del dispositivo del exoesqueleto se extiende cuando la pierna correspondiente pasa del estado de balanceo al estado de postura. De esta manera, el componente de la articulación de la cadera experimenta una velocidad continua a través del golpe de talón. En consecuencia, al observar la progresión del ángulo de la rodilla durante el control avanzado de la marcha, se produce una flexión de la articulación de la rodilla desde la postura hasta el giro, es decir, el componente de la articulación de la rodilla del dispositivo del exoesqueleto se flexiona cuando la pierna correspondiente pasa del estado de postura al estado de giro. De esta manera, la articulación de la rodilla se flexiona al principio del estado de balanceo, o en otras palabras, esencialmente la rodilla comienza a doblarse hacia el final del estado de apoyo para obtener un mejor "empuje" en el paso al inicio del estado de balanceo. El resultado del control avanzado de la marcha es un movimiento de paso más continuo, que reduce significativamente o elimina los estados estáticos de doble apoyo experimentados en los pasos de control de la marcha estándar, como se muestra en los paneles B y D.
Los paneles I y J demuestran una transición de vuelta del control avanzado de la marcha al control estándar de la marcha. En la transición del panel H al panel I, las mediciones del ángulo han pasado a un estado en el que ya no se satisface el umbral de marcha avanzada. Como resultado, el sistema vuelve al estado estático de doble soporte en preparación para reanudar la marcha de acuerdo con el control de la marcha estándar, con un paso de marcha estándar que se toma como se representa en el Panel J.
En un aspecto del control avanzado de la marcha, el sistema optimiza la contribución del usuario a la pisada frente a la contribución del dispositivo exoesqueleto. En el caso de los usuarios que no son totalmente discapacitados, el ajuste de la contribución del usuario para que requiera más o menos esfuerzo puede ayudar al usuario a entrenar con el dispositivo y a mejorar la fuerza y el rendimiento generales. Para lograr ese control, los componentes de las articulaciones del exoesqueleto son accionables hacia atrás para acomodar la fuerza aplicada por el propio esfuerzo del usuario al caminar.
En una realización ejemplar, la longitud del paso puede estar ligada a la velocidad del paso, dando al usuario la capacidad de acelerar y ralentizar la marcha como se desee. De este modo, el usuario puede elegir entre el control de la marcha estándar y el control de la marcha avanzado. Por ejemplo, un usuario puede actuar con el dispositivo de exoesqueleto para satisfacer el umbral de la marcha avanzada, entrando así en el control de la marcha avanzada desde el control de la marcha estándar. Para volver al control de la marcha estándar desde el control de la marcha avanzada, el usuario puede mantener la postura/la pierna de apoyo en su sitio para reanudar una postura de doble apoyo, lo que activa el sistema para volver a la transición al control de la marcha estándar. Dicha transición se representa, por ejemplo, en el estado estático de doble apoyo extendido del panel I de la Fig. 8, tras el cual se reanuda el control de la marcha estándar.
Otra característica del control avanzado de la marcha es una función de aumento automático de la velocidad. Un ajuste ejemplar del dispositivo relacionado con dicha característica es la función "Nivel de aumento de velocidad", que aumenta automáticamente la velocidad de los pasos mientras se realiza en el modo de marcha avanzada. Un ajuste "alto" aumentará la velocidad de los pasos en un incremento completo (es decir, los pasos de velocidad "media" en la marcha estándar se convertirán en pasos de velocidad rápida en la marcha avanzada). El ajuste "bajo" aumentará la velocidad de los pasos en medio incremento (es decir, los pasos de velocidad "baja" en la marcha estándar se convertirán en pasos de velocidad "media-baja" en la marcha avanzada). Otro ajuste ejemplar del dispositivo para el aumento automático de la velocidad es la función "Inicio de aumento de la velocidad", que determina cómo se producirá el aumento de la velocidad. Con un ajuste de inicio "gradual", el nivel de aumento de velocidad se produce de forma incremental, en el transcurso de unos pocos pasos de marcha avanzada. Con un ajuste de inicio "inmediato", el nivel de aumento de velocidad se producirá inmediatamente, con el primer paso de la marcha avanzada.
Un aspecto de la invención, por lo tanto, es un procedimiento de control para un dispositivo de asistencia a la movilidad que emplea el control avanzado de la marcha, como se define en las reivindicaciones adjuntas. En realizaciones ejemplares, el procedimiento de control emplea las siguientes etapas: proporcionar dicho dispositivo de movilidad que incluye un sistema de control para controlar el funcionamiento de los componentes del dispositivo de movilidad para configurar y modular selectivamente los componentes de la articulación de la cadera y la rodilla para realizar un ciclo de marcha; proporcionar dentro de dicho dispositivo de movilidad una aplicación de control para ser ejecutada por el sistema de control para controlar el ciclo de marcha; y proporcionar dentro de dicho dispositivo de movilidad una pluralidad de sensores para detectar un estado de los componentes de la articulación de la cadera y la rodilla para determinar una posición angular de la pierna derecha y la pierna izquierda durante el ciclo de marcha. El sistema de control ejecuta la aplicación de control para llevar a cabo las etapas de: detectar al menos una de las posiciones angulares o la velocidad angular de una pierna de apoyo/arrastre durante un estado dinámico de apoyo simple del ciclo de marcha; determinar si la posición angular o la velocidad angular satisface un umbral de marcha avanzado; y cuando se determina que la posición angular o la velocidad angular satisface el umbral de marcha avanzado, el sistema de control emplea un control de marcha avanzado de los componentes de la articulación de la cadera y la rodilla mediante el cual se minimiza la duración de los estados de doble apoyo entre los estados dinámicos de apoyo simple.
Para el control avanzado de la marcha, el sistema de control controla además los componentes de la articulación de la cadera para utilizar trayectorias avanzadas de la articulación de la marcha en las que las velocidades de los componentes de la articulación de la cadera son distintas de cero para los componentes de la articulación de la cadera durante las transiciones de los estados de balanceo a los estados de apoyo del ciclo de la marcha, y en las que las velocidades de los componentes de la articulación de la rodilla son distintas de cero para los componentes de la articulación de la rodilla durante las transiciones de los estados de apoyo a los estados de balanceo del ciclo de la marcha. De esta manera, el sistema de control controla los componentes de las articulaciones de la rodilla y de la cadera de tal manera que cada paso del ciclo de la marcha se mezcla con el siguiente paso mediante la extensión del componente de la cadera a la postura y/o la flexión del componente de la rodilla a la postura, y al menos un componente de la articulación está siempre en movimiento durante el ciclo de la marcha. Cuando se determina que la posición angular y la velocidad angular no satisfacen el umbral de la marcha avanzada, el sistema de control emplea un control de la marcha estándar en el que los estados de doble apoyo se mantienen entre los estados dinámicos de apoyo simple, y la decisión de dar un paso se toma detectando una posición angular de la pierna delantera durante los estados de doble apoyo.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un procedimiento de control para controlar un dispositivo de movilidad (100) que tiene una pluralidad de componentes del dispositivo de movilidad que incluyen un componente de articulación de la cadera derecha (102R) y un componente de articulación de la rodilla derecha (104R) correspondientes a una pierna derecha, y un componente de articulación de la cadera izquierda (102L) y un componente de articulación de la rodilla izquierda (104L) correspondientes a una pierna izquierda, comprendiendo el procedimiento de control las etapas de:
proporcionar dicho dispositivo de movilidad (100), incluyendo además dicho dispositivo de movilidad, un sistema de control (20) para controlar el funcionamiento de los componentes del dispositivo de movilidad para configurar y modular selectivamente los componentes de la articulación de la cadera (102R, 102L) y la rodilla (104R, 104L) para realizar un ciclo de marcha;
proporcionar dentro de dicho dispositivo de movilidad una aplicación de control (26) para ser ejecutada por el sistema de control (20) para controlar el ciclo de la marcha;
proporcionar dentro de dicho dispositivo de movilidad una pluralidad de sensores (36) para detectar un estado de los componentes de la articulación de la cadera (102R, 102L) y la rodilla (104R, 104L) para determinar una posición angular de la pierna derecha y la pierna izquierda durante el ciclo de la marcha; y ejecutar la aplicación de control (26) con el sistema de control (20) para realizar además las etapas de: detectar al menos uno de una posición angular o una velocidad angular de una pierna de apoyo durante el paso durante un estado dinámico de apoyo simple del ciclo de marcha que comprende un estado de paso en el que una pierna se balancea mientras la pierna opuesta es la pierna de apoyo durante el paso;
determinar si la posición angular o la velocidad angular satisfacen un umbral de marcha avanzada; y cuando se determina que la posición angular o la velocidad angular satisface el umbral de marcha avanzada, el sistema de control (20) emplea un control de marcha avanzada de los componentes de la articulación de la cadera y de la rodilla mediante el cual se determina iniciar la marcha durante un estado dinámico de apoyo simple anterior que comprende un estado de marcha en el que una pierna se balancea mientras que la pierna opuesta es la pierna de apoyo durante la marcha, iniciando así un movimiento de marcha en el que los pasos se dan sustancialmente en sucesión inmediata para minimizar la duración de los estados de doble apoyo en los que ambas piernas están en posición de apoyo entre los estados dinámicos de apoyo simple.
2. El procedimiento de control de la reivindicación 1, en el que para el control avanzado de la marcha el sistema de control (20) controla los componentes de la articulación de la cadera (102R, 102L) para utilizar trayectorias avanzadas de la articulación de la marcha en las que las velocidades de los componentes de la articulación de la cadera son distintas de cero para los componentes de la articulación de la cadera (102R, 102L) durante las transiciones de los estados de balanceo a los estados de apoyo del ciclo de la marcha; y/o
en el que para el control avanzado de la marcha el sistema de control (20) controla los componentes de la articulación de la rodilla (104R, 104L) para utilizar trayectorias avanzadas de la articulación de la marcha en las que las velocidades de los componentes de la articulación de la rodilla son distintas de cero para los componentes de la articulación de la rodilla (104R, 104L) durante las transiciones de los estados de apoyo a los estados de balanceo del ciclo de la marcha.
3. El procedimiento de control de la reivindicación 2, en el que cuando se utiliza una trayectoria de marcha avanzada durante el balanceo del componente de la cadera, el sistema de control (20) emplea una trayectoria de marcha avanzada en una postura posterior del componente de la articulación de la cadera; y/o
en el que cuando se utiliza una trayectoria de marcha avanzada durante la postura del componente de la articulación de la rodilla, el sistema de control (20) emplea una trayectoria de marcha avanzada en un balanceo posterior del componente de la articulación de la rodilla.
4. El procedimiento de control de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que para el control avanzado de la marcha el sistema de control (20) controla los componentes de la articulación de la rodilla (104R, 104L) y de la cadera (102R, 102L) de tal manera que cada paso del ciclo de la marcha se produce en sucesión sustancialmente inmediata después de un paso anterior mediante la extensión del componente de la articulación de la cadera del balanceo al apoyo, y/o flexión del componente de la articulación de la rodilla del apoyo al balanceo.
5. El procedimiento de control de cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que se mide la posición angular de una pierna de apoyo izquierda durante el paso durante un estado dinámico de apoyo simple del ciclo de la marcha para determinar si se da un paso con la pierna derecha, y se mide la posición angular de una pierna de apoyo derecha durante el paso durante un estado dinámico de apoyo simple del ciclo de la marcha para determinar si se da un paso con la pierna izquierda.
6. El procedimiento de control de cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que cuando se determina que la condición de umbral de marcha avanzada no se satisface, el sistema de control (20) emplea un control de marcha estándar en el que se mantienen estados de doble apoyo entre estados dinámicos de apoyo simple, y se toma una decisión sobre si dar un paso mediante la detección de una posición angular de la pierna adelantada durante el estado de doble apoyo.
7. Un medio no transitorio legible por ordenador (30, 24) que almacena un código de programa para una aplicación de control (26) para su uso en el control de un dispositivo de movilidad que tiene una pluralidad de componentes del dispositivo de movilidad que incluyen un componente de articulación de la cadera derecha y un componente de articulación de la rodilla derecha correspondientes a una pierna derecha, y un componente de articulación de la cadera izquierda y un componente de articulación de la rodilla izquierda correspondientes a una pierna izquierda, incluyendo el dispositivo de movilidad al menos un componente de accionamiento (34) que acciona al menos un componente de articulación;
en el que el dispositivo de movilidad (100) comprende: un sistema de control electrónico (20) para controlar el funcionamiento del al menos un componente de accionamiento para configurar y modular selectivamente el al menos un componente de articulación, y una pluralidad de sensores (36) para detectar un estado del al menos un componente de accionamiento y/o del al menos un componente de articulación; y
el código de programa cuando es ejecutado por el sistema de control electrónico (20) realiza las etapas de:
proporcionar dicho dispositivo de movilidad, incluyendo además dicho dispositivo de movilidad el sistema de control (20) para controlar el funcionamiento de los componentes del dispositivo de movilidad para configurar y modular selectivamente los componentes de la cadera (102R, l02L) y la articulación de la rodilla (104R, 104L) para realizar un ciclo de marcha;
proporcionar dentro de dicho dispositivo de movilidad una aplicación de control (26) para ser ejecutada por el sistema de control (20) para controlar el ciclo de la marcha;
proporcionar dentro de dicho dispositivo de movilidad una pluralidad de sensores (36) para detectar un estado de los componentes de la cadera (102R, 102L) y de la articulación de la rodilla (104R, 104L) para determinar una posición angular de la pierna derecha y de la pierna izquierda durante el ciclo de la marcha; y
ejecutar la aplicación de control (26) con el sistema de control (20) para realizar además las etapas de: detectar al menos uno de una posición angular o una velocidad angular de una pierna de apoyo durante el paso durante un estado dinámico de apoyo simple del ciclo de marcha que comprende un estado de paso en el que una pierna se balancea mientras la pierna opuesta es la pierna de apoyo durante el paso;
determinar si la posición angular o la velocidad angular satisfacen un umbral de marcha avanzada; y cuando se determina que la posición angular o la velocidad angular satisface el umbral de la marcha avanzada, el sistema de control emplea un control de la marcha avanzada de los componentes de la cadera (102R, 102L) y de la articulación de la rodilla (104R, 104L) mediante el cual se toma la determinación de iniciar el paso durante un estado dinámico de apoyo simple previo que comprende un estado de paso en el que una pierna se balancea mientras que la pierna opuesta es la pierna de apoyo durante el paso, iniciando así un movimiento de pisada en el que los pasos se dan sustancialmente en sucesión inmediata para minimizar la duración de los estados de doble apoyo en los que ambas piernas están en apoyo entre los estados dinámicos de apoyo simple.
8. El medio no transitorio legible por ordenador de la reivindicación 7, en el que para el control avanzado de la marcha el sistema de control (20) ejecuta el código de programa para controlar los componentes de la articulación de la cadera (102R, 102L) para utilizar trayectorias avanzadas de la articulación de la marcha en las que las velocidades de los componentes de la articulación de la cadera son distintas de cero para los componentes de la articulación de la cadera durante las transiciones de los estados de balanceo a los estados de apoyo del ciclo de la marcha; y/o
en el que para el control avanzado de la marcha el sistema de control (20) ejecuta el código de programa para controlar los componentes de la articulación de la rodilla (104R, 104L) para utilizar trayectorias avanzadas de la articulación de la marcha en las que las velocidades de los componentes de la articulación de la rodilla son distintas de cero para los componentes de la articulación de la rodilla durante las transiciones de los estados de apoyo a los estados de balanceo del ciclo de la marcha.
9. El medio no transitorio legible por ordenador de la reivindicación 8, en el que cuando se utiliza una trayectoria de marcha avanzada durante el balanceo del componente de la cadera, el sistema de control (20) ejecuta el código de programa para emplear una trayectoria de marcha avanzada en un apoyo posterior del componente de la articulación de la cadera; y/o
en el que cuando se utiliza una trayectoria de marcha avanzada durante el apoyo del componente de la articulación de la rodilla, el sistema de control (20) ejecuta el código de programa para emplear una trayectoria de marcha avanzada en un balanceo posterior del componente de la articulación de la rodilla.
10. El medio no transitorio legible por ordenador de cualquiera de las reivindicaciones 7-9, en el que para el control avanzado de la marcha el sistema de control (20) ejecuta el código de programa para controlar los componentes de la articulación de la rodilla (104R, 104L) y de la cadera (102R, 102L) de tal manera que cada paso del ciclo de la marcha se produce en sucesión sustancialmente inmediata después de un paso anterior por medio de la extensión del componente de la articulación de la cadera del balanceo al apoyo, y/o la flexión del componente de la articulación de la rodilla del apoyo al balanceo.
11. El medio no transitorio legible por ordenador de cualquiera de las reivindicaciones 7-10, en el que se mide la posición angular de una pierna izquierda de apoyo/arrastre durante un estado dinámico de apoyo simple del ciclo de la marcha para determinar si se da un paso con la pierna derecha, y se mide la posición angular de una pierna derecha de apoyo/arrastre durante un estado dinámico de apoyo simple del ciclo de la marcha para determinar si se da un paso con la pierna izquierda.
12. El medio no transitorio legible por ordenador de cualquiera de las reivindicaciones 7-11, en el que la posición angular de la pierna de apoyo durante el paso se detecta entre la postura media y la postura final de dicha pierna de apoyo durante el paso.
13. El medio no transitorio legible por ordenador de cualquiera de las reivindicaciones 7-12, en el que cuando se determina que no se cumple la condición de umbral de marcha avanzada, el sistema de control (20) ejecuta el código de programa para emplear un control de marcha estándar en el que se mantienen estados de doble apoyo entre estados dinámicos de apoyo simple, y se toma una decisión sobre si dar un paso detectando una posición angular de la pierna adelantada durante el estado de doble apoyo.
14. Un dispositivo de movilidad que tiene una pluralidad de componentes del dispositivo de movilidad que incluyen un componente de articulación de la cadera derecha y un componente de articulación de la rodilla derecha correspondientes a una pierna derecha, y un componente de articulación de la cadera izquierda y un componente de articulación de la rodilla izquierda correspondientes a una pierna izquierda, que comprende: un sistema de control electrónico (20) para controlar el funcionamiento de al menos un componente de accionamiento (34) para configurar y modular selectivamente al menos un componente de articulación; una pluralidad de sensores (36) para detectar un estado del al menos un componente de accionamiento y/o del al menos un componente de articulación; y
el medio no transitorio legible por ordenador (30, 24) según cualquiera de las reivindicaciones 7-13, en el que el sistema de control electrónico (20) ejecuta el código de programa almacenado en el medio no transitorio legible por ordenador (30, 24).
15. El dispositivo de movilidad de la reivindicación 14, en el que:
el dispositivo de movilidad es un dispositivo exoesqueleto de movilidad de piernas (100) que comprende una pluralidad de componentes de accionamiento (34) que accionan una pluralidad de componentes de articulación que incluyen al menos componentes de articulación de rodilla (104R, 104L) y componentes de articulación de cadera (102R, 102L); o
el dispositivo de movilidad es un dispositivo ortopédico que incluye el al menos un componente de accionamiento (34) que acciona el al menos un componente de articulación; o
el dispositivo de movilidad es un dispositivo protésico que incluye al menos un componente de accionamiento (34) que acciona el al menos un componente de articulación.
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