ES2908700T3

ES2908700T3 - Procedimiento para poner en movimiento un exoesqueleto

Info

Publication number: ES2908700T3
Application number: ES18758914T
Authority: ES
Inventors: Matthieu Masselin; Marine Petriaux
Original assignee: Wandercraft SAS
Current assignee: Wandercraft SAS
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2022-05-03
Anticipated expiration: 2038-06-28
Also published as: RU2020103417A3; KR20200024875A; RU2768106C2; CN110869172B; US20200122326A1; AU2018294620A1; RU2020103417A; JP2020525074A; AU2018294620B2; US11780087B2; KR102494387B1; JP7066752B2; WO2019002772A1; CA3064150A1; FR3068236B1; EP3645219B1; CN110869172A; EP3645219A1; FR3068236A1

Abstract

Procedimiento para poner en movimiento un exoesqueleto (1) que recibe a un operador humano, desde una posición sentada hacia una posición de pie, siendo dichas posiciones sentada y de pie tales que dicho exoesqueleto (1) presenta en dichas posiciones sentada y de pie una pluralidad de grados de libertad accionados cada uno por un accionador controlado por medios de procesamiento de datos (11), de manera que no quede sin accionar ningún grado de libertad, estando dicho procedimiento caracterizado por que comprende la implementación por parte de los medios de procesamiento de datos (11) de unas etapas de: (a) generación de una trayectoria del exoesqueleto (1) desde dicha posición sentada hacia dicha posición de pie, estando parametrizada dicha trayectoria en función del tiempo. (b) aplicación sobre dicha trayectoria de un juego de restricciones virtuales sobre dichos grados de libertad accionados, estando las restricciones virtuales parametrizadas por una variable de fase, (c) ejecución de un controlador de dicho exoesqueleto (1) asociado a dicho juego de restricciones virtuales de manera que el exoesqueleto (1) pase de la posición sentada a la posición de pie, siendo dicho controlador capaz de generar unas órdenes de dichos accionadores de manera que se respeten dichas restricciones virtuales durante dicha trayectoria.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento para poner en movimiento un exoesqueleto

Campo técnico general

La presente invención se refiere al campo de los robots de tipo exoesqueleto.

Más precisamente, se refiere a un procedimiento para poner en movimiento un exoesqueleto.

Estado de la técnica

Recientemente han aparecido, para personas con importantes problemas de movilidad como los parapléjicos, unos dispositivos de marcha asistida denominados exoesqueletos, que son unos dispositivos robotizados externos que el operador (el usuario humano) llega a "ponerse" gracias a un sistema de fijaciones que une los movimientos del exoesqueleto a sus propios movimientos. Los exoesqueletos de miembros inferiores disponen de varias articulaciones, generalmente por lo menos a nivel de las rodillas y de las caderas, para reproducir el movimiento de caminar. Unos accionadores permiten mover estas articulaciones, que a su vez hacen que el operador se mueva. Un sistema de interfaz permite que el operador dé unas órdenes al exoesqueleto, y un sistema de mando transforma estas órdenes en mandos para los accionadores. Unos sensores completarán generalmente el dispositivo.

Estos exoesqueletos constituyen un avance con respecto a las sillas de ruedas, ya que permiten que los operadores se pongan de pie y caminen. Los exoesqueletos ya no están limitados por las ruedas y pueden, teóricamente, moverse en la mayoría de los entornos no planos: las ruedas, a diferencia de las piernas, no permiten franquear obstáculos importantes como escalones, escaleras, obstáculos de una altura demasiado elevada, etc.

Las actividades humanas implican frecuentemente pasar por una posición sentada: en las comidas, en el trabajo, en los transportes, estar sentado es una posición muy habitual. La utilización del exoesqueleto para las personas parapléjicas prevé incluso en la mayoría de los casos, una transferencia desde la silla de ruedas hacia el exoesqueleto, en posición sentada. El interés, e incluso la posibilidad de utilización de un exoesqueleto, depende, por lo tanto, en gran medida, de su capacidad para levantarse, es decir, para pasar de una posición sentada a una posición de pie.

Se propone así, en las solicitudes de patente WO2010044087, EP1260201 y US20130150980, definir unos estados "sentado" y "de pie", y prever unos algoritmos de transición entre los dos. Más precisamente, se condiciona el levantarse a la detección de un contacto con el suelo con sensores de pie, y se activan los motores sagitales de cadera y rodilla.

Sin embargo, se constata que este enfoque es simplista y está lejos de permitir un movimiento cómodo y con sensaciones naturales. En efecto, la realización del movimiento de levantarse en sí mismo presenta cuatro desafíos:

- Los sillones, sillas, y otros soportes sobre los que es posible sentarse presentan una variedad de formas y dimensiones. Además, las posiciones de instalación diferirán en función de cada usuario: lo que es práctico para un usuario no lo será para otro. Además, la posición de pie debe ser diferente en función de los usuarios. En efecto, cada uno tiene su propia distribución de masa y, por lo tanto, unas posiciones de pie en equilibrio específicas. Además, algunos preferirán estar ligeramente hacia atrás, con las rodillas más o menos flexionadas, etc. La posición de pie ideal depende incluso de lo que el usuario desee hacer después de levantarse. Todo esto contribuye al hecho de que las posiciones iniciales y finales del exoesqueleto para levantarse deben adaptarse a cada paciente y a cada caso de utilización.

- Para permitir el movimiento de levantarse, los pies del paciente deben permanecer en el suelo durante todo el tiempo del movimiento. Así, incluso conociendo la posición sentada y la posición de pie, encontrar un movimiento que vaya de una a la otra respetando la fuerza cinemática sobre los pies no es trivial.

- Las posiciones sentadas tienen generalmente las piernas muy flexionadas con un centro de presión situado muy hacia atrás de los pies. El momento del peso al principio del movimiento es por lo tanto importante y requiere unos pares importantes para conseguir alcanzar una postura desplegada. Los controladores estándares que siguen una trayectoria precalculada en el tiempo pueden agravar este problema: si dos articulaciones no tienen la misma calidad de seguimiento, por ejemplo una está adelantada en su trayectoria y la otra retrasada, la configuración puede hacer el movimiento aún más difícil. Este es el caso en particular si las caderas se despliegan demasiado rápido con respecto a las rodillas - la pelvis es enviada entonces ampliamente hacia atrás y ejerce un momento muy importante sobre las rodillas.

- Es importante sincronizar el movimiento de la parte superior del cuerpo del paciente (que se inclinará, por ejemplo, hacia adelante, o se apoyará sobre unos reposabrazos, etc.) con el movimiento de las piernas. Si el paciente debe adaptarse al exoesqueleto, las fases de formación resultan largas y penosas. El hecho de que el movimiento del exoesqueleto se adapte al movimiento de la parte superior del cuerpo del paciente permite disminuir la formación necesaria para el paciente. Además, los pacientes aprecian el hecho de controlar el movimiento, de participar en su ejecución.

Por consiguiente, sería deseable disponer de una nueva técnica para levantarse desde una posición sentada para los exoesqueletos que se libere de las limitaciones actuales, y que sea eficaz, universal (permita levantarse sea cual sea la silla y la posición inicial del usuario), cómoda y natural.

Presentación de la invención

La presente invención se refiere así, según un primer aspecto, a un procedimiento para poner en movimiento un exoesqueleto que recibe a un operador humano, desde una posición sentada hacia una posición de pie, siendo dichas posiciones sentada y de pie tales que dicho exoesqueleto presente en dichas posiciones sentada y de pie una pluralidad de grados de libertad accionados cada uno por un accionador mandado por unos medios de procesamiento de datos, de manera que no quede sin accionar ningún grado de libertad, estando el procedimiento caracterizado por que comprende la realización, mediante los medios de procesamiento de datos, de unas etapas de:

(a) generación de una trayectoria del exoesqueleto desde dicha posición sentada hacia dicha posición de pie, estando dicha trayectoria parametrizada en función del tiempo,

(b) aplicación sobre dicha trayectoria de un juego de restricciones virtuales sobre dichos grados de libertad accionados, estando las restricciones virtuales parametrizadas por una variable de fase,

(c) ejecución de un controlador de dicho exoesqueleto asociado a dicho juego de restricciones virtuales de manera que el exoesqueleto pase de la posición sentada a la posición de pie, siendo dicho controlador capaz de generar unas órdenes de dichos accionadores de manera que se respeten dichas restricciones virtuales durante dicha trayectoria.

Según otras características ventajosas y no limitativas:

• la generación de una trayectoria del exoesqueleto en la etapa (a) se realiza cuando se recibe una solicitud para levantarse;

• la solicitud de levantarse corresponde a una postura de dicho operador humano;

• el busto del operador está equipado con una pluralidad de sensores de postura, detectándose la solicitud de levantarse en función de la postura de dicho busto del operador medida por la pluralidad de sensores;

• la etapa (a) comprende la determinación de dicha posición sentada y/o de dicha posición de pie;

• la etapa (a) comprende la identificación de una posición provisional presentada por el exoesqueleto cuando tiene lugar la recepción de la solicitud de levantarse, y la determinación de dicha posición sentada y de dicha posición de pie a partir de la posición provisional;

• dichas posición sentada y posición de pie determinadas son unas posiciones aceptables con respecto a unas restricciones predeterminadas;

• dichas restricciones predeterminadas comprenden el hecho de estar en un estado de estabilidad en el que un Centro de Presión, CoP, está dentro de una superficie de sustentación del exoesqueleto y de las tensiones posturales;

• la etapa (b) comprende la selección previa de la variable de fase;

• se almacenan en una base de datos almacenada en unos medios de almacenaje de datos de los pares de: - un juego de restricciones virtuales sobre dichos grados de libertad accionados, estando las restricciones virtuales parametrizadas por una variable de fase,

- un controlador de dicho exoesqueleto asociado al juego de restricciones virtuales; comprendiendo la etapa (b) la identificación de un juego de restricciones en función de la variable de fase seleccionada.

Según un segundo aspecto, la invención se refiere a un procedimiento para poner en movimiento un exoesqueleto que recibe a un operador humano, desde una posición de pie a una posición sentada, siendo dichas posiciones sentada y de pie tales que dicho exoesqueleto presente en dichas posiciones sentada y de pie una pluralidad de grados de libertad accionados cada uno por un accionador mandado por unos medios de procesamiento de datos, de manera que no quede sin accionar ningún grado de libertad, estando el procedimiento caracterizado por que comprende la realización, mediante los medios de procesamiento de datos, de unas etapas de:

Según un tercer aspecto, la invención se refiere a un exoesqueleto que recibe a un operador humano, que comprende unos medios de procesamiento de datos configurados para realizar:

- un módulo de generación de una trayectoria del exoesqueleto desde una posición sentada hacia una posición de pie tales que dicho exoesqueleto presente en dichas posiciones sentada y de pie una pluralidad de grados de libertad accionados cada uno por un accionador mandado por los medios de procesamiento de datos, de manera no quede sin accionar que ningún grado de libertad, estando dicha trayectoria parametrizada en función del tiempo.

- un módulo de aplicación sobre dicha trayectoria de un juego de restricciones virtuales sobre dichos grados de libertad accionados, estando las restricciones virtuales parametrizadas por una variable de fase,

- un módulo de ejecución de un controlador asociado a dicho juego de restricciones virtuales, de manera que el exoesqueleto pase de la posición sentada a la posición de pie, siendo dicho controlador capaz de generar unas órdenes a dichos accionadores de manera que se respeten dichas restricciones virtuales durante dicha trayectoria.

Según un cuarto aspecto, la invención se refiere a un exoesqueleto que recibe a un operador humano, que comprende medios de procesamiento de datos configurados para utilizar:

- un módulo de generación de una trayectoria del exoesqueleto desde una posición sentada hacia una posición de pie tales que dicho exoesqueleto presente en dichas posiciones sentada y de pie una pluralidad de grados de libertad accionados cada uno por un accionador mandado por los medios de procesamiento de datos, de manera que no quede sin accionar ningún grado de libertad, estando dicha trayectoria parametrizada en función del tiempo.

Según un quinto y sexto aspecto, la invención se refiere a un producto de programa de ordenador que comprende unas instrucciones de código que conducen a un exoesqueleto según el tercer o el cuarto aspecto de la invención a ejecutar un procedimiento para poner en movimiento un exoesqueleto según el primer o el segundo aspecto de la invención; y a un medio de almacenamiento legible por un equipo informático en el que se registra el programa de ordenador según el quinto aspecto de la invención.

Presentación de las figuras

Otras características y ventajas de la presente invención aparecerán con la lectura de la descripción siguiente de un modo de realización preferido. Esta descripción se dará con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

- la figura 1 es un esquema de un exoesqueleto (de tipo exoesqueleto) para la realización del procedimiento según la invención;

- la figura 2 representa un ejemplo de evolución de una variable de fase, y de evolución de un grado de libertad en función de esta variable de fase;

- la figura 3 es un diagrama que ilustra un modo de realización preferido del procedimiento según la invención.

Descripción detallada

Arquitectura

Con referencia a la figura 1, el presente procedimiento es un procedimiento para levantar un exoesqueleto 1, es decir, un sistema mecánico articulado de tipo dispositivo robotizado bípedo, accionado y mandado, provisto de dos piernas, que recibe más precisamente a un operador humano que presenta sus miembros inferiores solidarios cada uno con una pierna del exoesqueleto 1 (en particular gracias a unas correas). Por lo tanto, puede ser un robot más o menos humanoide.

El exoesqueleto 1 comprende en cada pierna una estructura de pie que comprende un plano de soporte sobre el que puede pasar a apoyarse un pie de una pierna de la persona que lleva el exoesqueleto cuando el pie está horizontal.

Por "levantar", se entiende en la presente memoria poner en movimiento el exoesqueleto 1 de manera que pase de una posición sentada a una posición de pie. Estos términos tienen en la presente memoria su significado natural. Más precisamente, por posición sentada se entiende una posición en la que el operador equipado con el exoesqueleto descansa sobre un asiento, es decir está soportado a nivel de sus "posaderas". Como se verá más adelante, se elegirá generalmente una posición sentada "aceptable", en particular en la que los dos pies del exoesqueleto estén colocados sobre el suelo, y en horizontal. En la posición de pie, el operador descansa únicamente sobre sus dos piernas, preferentemente estiradas, lo cual significa que no hay más puntos de apoyo que los dos pies. Al igual que para la posición sentada, se trata generalmente de una posición en la que los dos pies del exoesqueleto están colocados sobre el suelo, y en horizontal. Tanto en una como en otra de las posiciones sentada y de pie, el exoesqueleto debe estar en un estado de estabilidad, es decir, que el operador puede permanecer estático sin caerse.

Por estado de estabilidad se entiende ventajosamente un estado en el que un Centro de Masa, CoM ("Center of Mass"), está dentro de una superficie de sustentación del exoesqueleto 1. El CoM coincide en reposo con un Punto de Momento Cero, ZMP ("Zero Moment Point") y designa más precisamente el punto en el que el momento de las fuerzas de contacto tiene dos de sus tres coordenadas nulas (puramente vertical).

El exoesqueleto 1 presenta una pluralidad de grados de libertad, es decir, de articulaciones deformables (generalmente a través de una rotación), es decir, móviles unas con respecto a las otras, que están cada una o bien "accionada", o bien "no accionada".

Un grado de libertad accionado designa una articulación provista de un accionador mandado por unos medios de procesamiento de datos 11, es decir, que este grado de libertad está controlado y que se puede actuar sobre él. Por el contrario, un grado de libertad no accionado designa una articulación desprovista de accionador, es decir, que este grado de libertad sigue su propia dinámica y que los medios de procesamiento de datos 11 no tienen ningún control directo sobre él (pero a priori un control indirecto a través de los otros grados de libertad accionados). En el ejemplo de la figura 1, el contacto talón-suelo es puntual, y el exoesqueleto 1 está así libre en rotación con respecto a este punto de contacto. El ángulo entre el eje talón-cadera y la vertical constituye entonces un grado de libertad no accionado.

En el presente caso, y se verá por qué más adelante, dichas posiciones sentada y de pie son tales que dicho exoesqueleto 1 no presenta, en estas posiciones, ningún grado de libertad que no esté accionado, es decir, que el sistema no está subaccionado (el grado de subaccionamiento, es decir, el número de grados de libertad no accionados, es igual a cero, lo cual significa que la evolución del sistema está totalmente determinada).

Esto explica por qué las posiciones sentada y de pie requieren lo más frecuentemente tener los dos pies apoyados y en horizontal: el contacto talón-suelo ya no es puntual, y el ángulo entre el eje talón-cadera y la vertical ya no constituye entonces un grado de libertad no accionado del exoesqueleto 1 a falta de rotación libre. Se comprenderá, sin embargo, que la presente invención no está limitada a unas posiciones sentada y de pie con los dos pies en el suelo y en horizontal, ya que la única condición necesaria es no presentar ningún grado de libertad no accionado, y se pueden encontrar unas posiciones (en particular sentadas) que están completamente accionadas aunque un pie no esté colocado en horizontal.

Los medios de procesamiento de datos 11 designan un equipo informático (normalmente un procesador, o bien externo si el exoesqueleto 1 está "mandado a distancia", pero preferentemente embarcado en el exoesqueleto 1) adaptado para procesar unas instrucciones y generar unas órdenes destinadas a los diferentes accionadores. Estos últimos pueden ser eléctricos, hidráulicos, etc.

La presente solicitud no estará limitada a ninguna arquitectura de exoesqueleto 1, y se considerará el ejemplo tal como el descrito en las solicitudes WO2015140352 y WO2015140353.

El experto en la materia sabrá, sin embargo, adaptar el presente procedimiento a cualquier arquitectura mecánica.

Dinámica

De manera tradicional, las trayectorias, es decir, las evoluciones de cada grado de libertad, se expresan en función del tiempo. La "dinámica" del sistema se define mediante una función f :% x ^ x ®í+ h"* X y un punto de partida ? 6 X t escribiéndose la función f * t ~ f ( x t>u t ’ t)> x o — s¡endo X el espacio de estado del exoesqueleto 1, y V. el espacio de control, representando t el tiempo.

En el método denominado de las "restricciones virtuales", el principio es definir para una selección de los grados de libertad accionados una trayectoria parametrizada por un parámetro de evolución, no en el tiempo, sino en función directamente de la configuración, denominándose este parámetro variable de fase. Un ejemplo de dicha variable de fase se representa en la figura 1, se trata del ángulo entre el eje talón-cadera y la vertical que constituye entonces un grado de libertad no accionado mencionado anteriormente.

El método de las restricciones virtuales es bien conocido, y se aplica habitualmente a un movimiento en el que por lo menos un grado de libertad es no accionado, en particular la marcha, como se propone, por ejemplo, en la solicitud FR1750217. Un procedimiento de generación de una trayectoria de un robot humanoide bípedo, teniendo en cuenta un juego de restricciones virtuales parametrizadas por una variable de fase, se divulga en UWE METTIN ET AL: "Motion planning for humanoid robots based on Virtual constraints extracted from recorded human movements", INTELLIGENT SERVICE ROBOTICS, vol. 1, n° 4, 3 de julio de 2008, páginas 289-301.

La variable de fase permite en tal caso definir el "avance" de un paso. Más precisamente, en cada paso, la variable de fase pasa continuamente de un valor inicial a un valor final, antes de verse reasignado el valor inicial: es el inicio del paso siguiente. Para facilitar las cosas, se puede normalizar el valor del parámetro de fase entre 0 y 1.

A cada valor del parámetro de evolución corresponde un valor de los grados de libertad accionados que el sistema debe esforzarse por seguir: son estas relaciones (una para cada grado de libertad accionado que se desea controlar de esta manera) las que se denominan restricciones virtuales. La figura 2 muestra el funcionamiento de las restricciones virtuales para una articulación, la rodilla.

Si el sistema sigue exactamente esta trayectoria para los grados de libertad en los que se puede o se desea actuar, en otras palabras, si se respetan las restricciones virtuales para estos grados de libertad, entonces la evolución del sistema está totalmente determinada por la de los grados de libertad no accionados que siguen su propia dinámica.

Esta dinámica se denomina "Dinámica de los Ceros Híbrida", o HZD (Hybrid Zero Dynamics), puesto que:

- se denomina "Cero" ya que corresponde a los grados sobre los cuales la orden no puede/no desea actuar, es decir la orden vale 0;

- se denomina "Híbrida" ya que el impacto del pie sobre el suelo impone unas fases instantáneas discontinuas que entrecortan las fases continuas.

El presente procedimiento de levantar un exoesqueleto 1 utiliza de manera inesperada el método de las restricciones virtuales a pesar de que se accionan todos los grados de libertad y el movimiento es no cíclico (no se trata de un paso), y por lo tanto la HZD es inaplicable.

Durante un movimiento de marcha, la introducción de una variable de fase es una forma de adaptarse al subaccionamiento del sistema. Cuando tiene lugar el movimiento de levantarse, el sistema es accionado completamente, pero la dificultad es coordinar el busto del paciente y las diferentes articulaciones del exoesqueleto, algunas de las cuales no se mueven tan rápido como estaba previsto debido a saturaciones del par motor, a movimientos imprevistos del usuario, o también a otras perturbaciones.

La Solicitante ha constatado así que, seleccionando una variable de fase adecuada, y a fortiori una variable de fase diferente de las utilizadas para la marcha (una buena variable de fase para la marcha no es siempre una buena variable de fase para levantarse: una variable monótona durante la marcha no es necesariamente monótona al levantarse), entonces el método de las restricciones virtuales permitía de manera sorprendente sincronizar fácilmente el movimiento de levantarse, y por lo tanto evitar que las articulaciones de desplieguen demasiado rápido, de manera que lo ejecute exactamente a la velocidad deseada por el operador con una usabilidad y una comodidad aumentadas sustancialmente.

Se considerarán en particular unas variables de fases sobre las que el usuario dispone de un control directo. Se citará, por ejemplo, la posición de la rodilla, o el ángulo del busto.

Procedimiento

El presente procedimiento comienza por una etapa (a) de generación de una trayectoria del exoesqueleto 1 desde dicha posición sentada hacia dicha posición de pie, estando dicha trayectoria parametrizada en función del tiempo. Esta etapa se realiza preferentemente cuando se recibe una solicitud de levantarse.

A este respecto, la etapa (a) comprende ventajosamente la detección de que el operador desea levantarse, de manera que se genere dicha solicitud de levantarse.

En efecto, si el exoesqueleto 1 es un exoesqueleto que recibe a un operador humano, es la postura de dicho operador humano la que determina sus intenciones (contrariamente al caso de un robot normal que puede recibir directamente una solicitud estandarizada de levantarse). Por lo tanto, es necesario hacer diferencia entre un simple movimiento del operador en su silla (por ejemplo, girarse para mirar a la izquierda permaneciendo al mismo tiempo sentado) y el movimiento hacia una posición de pie.

Para ello, el operador puede estar provisto de un chaleco de sensores 10 que permiten detectar la configuración de su busto (orientación del mismo). La solicitud de levantarse puede corresponder a una postura particular del operador, por ejemplo inclinarse hacia adelante, lo cual significa su intención de iniciar un movimiento desde una posición sentada hacia una posición levantada, y por lo tanto ordenar a los medios de procesamiento de datos que realicen la etapa (a). Este algoritmo de comienzo se puede basar en unos movimientos parametrizados precalculados y ensayados anteriormente o en unos movimientos referenciados como sensores, por ejemplo, unos medios de detección del impacto de los pies en el suelo 13 y/o unos medios de medición inercial 14 equipados en el exoesqueleto 1. Alternativamente, la solicitud de levantarse puede corresponder a la pulsación de un botón por parte del operador.

Tras esta recepción de una solicitud de levantarse, con referencia a la figura 3, la etapa (a) puede comprender una subetapa previa de generación de la posición sentada y/o de la posición de pie. Esta subetapa es opcional ya que estas posiciones pueden estar disponibles directamente (en particular, el operador puede encontrarse ya en una posición sentada aceptable en el momento del inicio del movimiento, y la posición de pie pretendida puede estar prevista de antemano).

Partiendo de una posición sentada "provisional" correspondiente a la presentada cuando se recibe la solicitud de levantarse, se determina ventajosamente una posición sentada "de partida", que es la posición sentada aceptable que se utilizará por el presente procedimiento (aquella desde la que se realizará el movimiento hacia la posición de pie, se deberá observar que en la continuación de la presente descripción por "posición sentada" se entenderá una posición sentada aceptable, y en particular dicha posición sentada de partida).

Más precisamente, las posiciones sentada y de pie "aceptables" son una posición en la que, como se ha explicado, están accionados todos los grados de libertad (normalmente los pies en el suelo), preferentemente con respecto a las restricciones, incluyendo una restricción de estabilidad (CoP por encima de los apoyos), unas restricciones posturales tales como amplitudes articulares, unos pares, etc., y de las restricciones definidas por la posición provisional tales como la altura del asiento (únicamente para la posición sentada), la separación de los pies, la orientación de la pelvis, etc. Se debe observar que, contrariamente a ciertas restricciones, como la separación de los pies o la orientación de la pelvis, se pueden redefinir con respecto a la posición provisional si sus valores no permiten una trayectoria correcta.

La determinación de una u otra de las posiciones sentada o de pie aceptables se puede cumplir mediante cinemática inversa con definición de tareas correspondientes.

La posición sentada y la posición de pie comparten preferentemente una coherencia postural, por ejemplo la misma posición de los pies (lo cual significa que solamente se mueve el resto del exoesqueleto 1), de manera que se garantice que se mantenga a lo largo de todo el movimiento el hecho de que estén accionados todos los grados de libertad.

Así, de manera particularmente preferida, la etapa (a) comprende inmediatamente tras la recepción de la solicitud de levantarse la identificación de una posición sentada provisional. A partir de este momento, se calculan las restricciones asociadas que servirán de base para la determinación de las posiciones sentada y de pie aceptables (altura del asiento, separación de los pies, especificaciones posturales, etc.) utilizando un modelo del operador y del exoesqueleto 1, que se puede generar previamente a partir de mediciones específicas del operador (distancias entre centros articulares, peso, estatura).

Las posiciones sentada (de partida) y de pie, se determinan entonces gracias a dichas restricciones, buscando la coherencia postural. Se puede determinar entonces la trayectoria en función del tiempo que las vincula.

La determinación de la trayectoria de la etapa (a) entre las posiciones sentada y de pie se puede realizar de numerosas maneras conocidas, por ejemplo por cinemática inversa del segundo orden.

Una trayectoria dinámica que permite vincular una posición con otra se define en particular por las posiciones/velocidades/aceleraciones en función del tiempo para todas las articulaciones, con respecto de eventuales restricciones del sistema mencionadas anteriormente: amplitudes articulares, velocidades, pares disponibles, pies que permanecen en el suelo, etc.

La etapa (a) permite así, de manera simple, asegurar que la trayectoria sea realizable, y tener en cuenta las eventuales restricciones de pares, articulares, etc.

En una etapa (b), la trayectoria temporal se pasa en restricciones virtuales. Más precisamente, se aplica sobre dicha trayectoria un juego de restricciones virtuales sobre dichos grados de libertad accionados, estando las restricciones virtuales parametrizadas por una variable de fase.

Esta etapa (b) puede comprender la selección previa de dicha variable de fase. Como se ha explicado, se necesita una variable cuya evolución sea monótona durante el movimiento, y medible. Es preferible que el operador pueda actuar sobre la evolución de esta variable, con el fin de que controle la ejecución del movimiento. Este paso a las restricciones virtuales evita, como ya se ha mencionado, que las articulaciones se desplieguen demasiado rápido, de ahí el aumento sustancial de la comodidad.

Para un juego de restricciones virtuales dado, el espacio de estado "restringido" es una variedad topológica de la dinámica en la que cada punto está definido por el valor del parámetro de fase (y, llegado el caso, sus derivados).

El juego de restricciones virtuales está asociado a un controlador capaz de generar unas órdenes de dichos accionadores de manera que se respeten dichas restricciones virtuales durante una trayectoria.

Se debe observar que puede estar disponible una pluralidad de juegos de restricciones, que corresponden a unas variables de fase diferentes, o simplemente a unas alturas de asiento o unas velocidades de levantarse diferentes.

A este respecto, el presente procedimiento propone ventajosamente la utilización de una base de datos (denominada biblioteca de control) almacenada en unos medios de almacenamiento de datos 12 (una memoria conectada a los medios de procesamiento de datos 11) de por lo menos un par de:

- un juego de restricciones virtuales sobre dichos grados de libertad accionados, estando las restricciones virtuales parametrizadas por una variable de fase,

- un controlador de dicho exoesqueleto 1 (asociado al juego de restricciones virtuales) capaz de generar unas órdenes de dichos accionadores de manera que se respeten dichas restricciones virtuales realizando por lo menos una trayectoria estable.

El experto en la materia sabe generarlos. La etapa (b) puede comprender así la identificación del par de un juego de restricciones virtuales y de un controlador, en particular en función de la variable de fase seleccionada.

En una etapa final (c), se ejecuta dicho controlador de dicho exoesqueleto 1 asociado al juego de restricciones virtuales (llegado el caso, identificado) de manera que el exoesqueleto 1 pase de la posición sentada a la posición de pie.

Más precisamente, el controlador aplica la trayectoria parametrizada en función de la variable de fase: gracias al controlador en cada instante se calcula la variable de fase y se redefine la consigna de posición y de velocidad de cada articulación accionada en consecuencia.

Se debe observar que, en el caso en el que se deba determinar una posición sentada aceptable diferente de la posición provisional, la etapa (c) debe comprender el paso a esta posición sentada aceptable antes de ejecutar el controlador. Sin embargo, ésta está generalmente cerca de la posición provisional presentada por el exoesqueleto al inicio del procedimiento.

En la práctica, son dos posiciones sentadas que presentan unas condiciones comunes tales como la altura de asiento. La posición provisional es frecuentemente de piernas semiestiradas, mientras que la posición sentada aceptable presenta las piernas más flexionadas para pasar los pies bajo el asiento.

Esta solución resulta ser particularmente eficaz, ya que toda la complejidad de levantarse se realiza aguas arriba. En funcionamiento, el controlador del exoesqueleto únicamente tiene que aplicar la trayectoria obtenida para obtener un movimiento de levantarse cómodo y natural, sea cual sea la configuración.

A partir de este momento, puede tomar el relevo un procedimiento de ponerse en movimiento (marcha), en particular aquel tal como se define, por ejemplo, en la solicitud FR1750217, utilizando nuevos juegos de restricciones virtuales y unos controladores, esta vez de tipo HZD (debido a la existencia de grados de libertad no accionados durante la marcha).

Se debe observar que un procedimiento "opuesto" para poner en movimiento el exoesqueleto 1 desde una posición de pie a una posición sentada (es decir, para sentarse en lugar de levantarse) se puede realizar de manera similar.

Este segundo procedimiento se basa en el mismo principio, es idéntico al primer procedimiento invirtiendo las posiciones sentada y de pie: incluye la realización por los medios de procesamiento de datos 11 de unas etapas de:

(a) generación de una trayectoria del exoesqueleto 1 desde dicha posición de pie a dicha posición sentada, estando dicha trayectoria parametrizada en función del tiempo.

(b) aplicación sobre dicha trayectoria de un juego de restricciones virtuales sobre dichos grados de libertad accionados, estando las restricciones virtuales parametrizadas por una variable de fase.

(c) ejecución de un controlador de dicho exoesqueleto 1 asociado a dicho juego de restricciones virtuales de manera que el exoesqueleto 1 pase de la posición de pie a la posición sentada, siendo dicho controlador capaz de generar unas órdenes de dichos accionadores de manera que se respeten dichas restricciones virtuales durante dicha trayectoria.

El experto en la materia sabrá transponer las etapas de determinación de las posiciones de pie y sentada aceptables, y todos los modos de realización del primer procedimiento (de levantarse) se podrán adaptar al segundo procedimiento (para sentarse).

Equipos y sistema

Según otros aspectos, la invención se refiere al exoesqueleto 1, en particular de tipo exoesqueleto, para la realización del procedimiento según el primer aspecto (levantarse) y/o el segundo aspecto (el hecho de sentarse).

Como se ha explicado, el exoesqueleto 1 comprende unos medios de procesamiento de datos 11, y unos medios de almacenamiento de datos 12 (eventualmente externos) y, si es necesario, unos medios de medición inercial 14 (central de inercia) y/o unos medios para detectar el impacto de los pies en el suelo 13 (sensores de contacto o eventualmente sensores de presión).

Presenta una pluralidad de grados de libertad incluyendo por lo menos un grado de libertad accionado por un accionador mandado por los medios de procesamiento de datos 11, y en particular, en dichas posiciones sentada y de pie, una pluralidad de grados de libertad es accionados cada uno por un accionador mandado por los medios de procesamiento de datos 11, de manera que no quede sin accionar ningún grado de libertad.

Los medios de procesamiento de datos 11 están configurados para realizar:

- un módulo de generación de una trayectoria del exoesqueleto 1 desde una posición sentada hacia una posición de pie (y/o desde una posición de pie hacia una posición sentada) tales que dicho exoesqueleto 1 presente en dichas posiciones sentada y de pie una pluralidad de grados de libertad accionados cada uno por un accionador mandado por los medios de procesamiento de datos 11, de manera que no quede sin accionar ningún grado de libertad, estando dicha trayectoria parametrizada en función del tiempo.

- un módulo de aplicación sobre dicha trayectoria de un juego de restricciones virtuales sobre dichos grados de libertad accionados, estando las restricciones virtuales parametrizadas por una variable de fase.

- un módulo de ejecución de un controlador asociado a dicho juego de restricciones virtuales, de manera que el exoesqueleto 1 pase de la posición sentada a la posición de pie (y/o de la posición de pie a la posición sentada), siendo dicho controlador capaz de generar unas órdenes de dichos accionadores de manera que se respeten dichas restricciones virtuales durante dicha trayectoria.

Producto de programa de ordenador

Según un quinto y un sexto aspectos, la invención se refiere a un producto de programa de ordenador que comprende unas instrucciones de código para la ejecución (en los medios de procesamiento 11) de un procedimiento para poner en movimiento un exoesqueleto 1 según el primer o el segundo aspecto de la invención, así como unos medios de almacenamiento legibles por un equipo informático (por ejemplo, los medios de almacenamiento de datos 12) en los que se encuentra este producto de programa de ordenador.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para poner en movimiento un exoesqueleto (1) que recibe a un operador humano, desde una posición sentada hacia una posición de pie, siendo dichas posiciones sentada y de pie tales que dicho exoesqueleto (1) presenta en dichas posiciones sentada y de pie una pluralidad de grados de libertad accionados cada uno por un accionador controlado por medios de procesamiento de datos (11), de manera que no quede sin accionar ningún grado de libertad, estando dicho procedimiento caracterizado por que comprende la implementación por parte de los medios de procesamiento de datos (11) de unas etapas de:

(a) generación de una trayectoria del exoesqueleto (1) desde dicha posición sentada hacia dicha posición de pie, estando parametrizada dicha trayectoria en función del tiempo.

(c) ejecución de un controlador de dicho exoesqueleto (1) asociado a dicho juego de restricciones virtuales de manera que el exoesqueleto (1) pase de la posición sentada a la posición de pie, siendo dicho controlador capaz de generar unas órdenes de dichos accionadores de manera que se respeten dichas restricciones virtuales durante dicha trayectoria.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la generación de una trayectoria del exoesqueleto (1) en la etapa (a) se realiza cuando se recibe una solicitud de levantarse.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que la solicitud de levantarse corresponde a una postura de dicho operador humano.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, en el que el busto del operador está equipado con una pluralidad de sensores de postura, detectándose la solicitud de levantarse en función de la postura de dicho busto del operador, medida por la pluralidad de sensores.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la etapa (a) comprende la determinación de dicha posición sentada y/o de dicha posición de pie.

6. Procedimiento según la reivindicación 5 y una de las reivindicaciones 2 a 4 en combinación, en el que la etapa (a) comprende la identificación de una posición provisional presentada por el exoesqueleto (1) cuando tiene lugar la recepción de la solicitud de levantarse, y la determinación de dicha posición sentada y de dicha posición de pie a partir de la posición provisional.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, en el que dichas posiciones sentada y de pie determinadas son unas posiciones aceptables con respecto a unas restricciones predeterminadas.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, en el que dichas restricciones predeterminadas comprenden el hecho de estar en un estado de estabilidad en el que un Centro de Presión, CoP, está dentro de una superficie de sustentación del exoesqueleto (1) y de las restricciones posturales.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la etapa (b) comprende la selección previa de la variable de fase.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que se almacenan en una base de datos almacenada en unos medios de almacenamiento de datos (12) unos pares de:

- un controlador de dicho exoesqueleto (1) asociado al juego de restricciones virtuales;

comprendiendo la etapa (b) la identificación de un juego de restricciones en función de la variable de fase seleccionada.

11. Procedimiento para poner en movimiento un exoesqueleto (1) que recibe a un operador humano, desde una posición de pie hacia una posición sentada, siendo dichas posiciones sentada y de pie tales que dicho exoesqueleto (1) presenta en dichas posiciones sentada y de pie una pluralidad de grados de libertad accionados cada uno por un accionador mandado por unos medios de procesamiento de datos (11) de manera que no quede sin accionar ningún grado de libertad, estando el procedimiento caracterizado por que comprende la realización por parte de los medios de procesamiento de datos (11) de unas etapas de:

(a) generación de una trayectoria del exoesqueleto (1) desde dicha posición de pie hacia dicha posición sentada, estando dicha trayectoria parametrizada en función del tiempo,

(c) ejecución de un controlador de dicho exoesqueleto (1) asociado a dicho juego de restricciones virtuales, de manera que el exoesqueleto (1) pase de la posición de pie a la posición sentada, siendo dicho controlador capaz de generar unas órdenes de dichos accionadores de manera que se respeten dichas restricciones virtuales durante dicha trayectoria.

12. Exoesqueleto (1) que recibe a un operador humano, caracterizado por que comprende unos medios de procesamiento de datos (11) configurados para realizar:

- un módulo de generación de una trayectoria del exoesqueleto (1) desde una posición sentada hacia una posición de pie, tales que dicho exoesqueleto (1) presente en dichas posiciones sentada y de pie una pluralidad de grados de libertad accionados cada uno por un accionador mandado por los medios de procesamiento de datos (11), de manera que no quede sin accionar ningún grado de libertad, estando dicha trayectoria parametrizada en función del tiempo,

- un módulo de aplicación sobre dicha trayectoria de un juego de restricciones virtuales sobre dichos grados de libertad accionados, estando las restricciones virtuales parametrizadas por una variable de fase, - un módulo de ejecución de un controlador asociado a dicho juego de restricciones virtuales, de manera que el exoesqueleto (1) pase de la posición sentada a la posición de pie, siendo dicho controlador capaz de generar unas órdenes de dichos accionadores de manera que se respeten dichas restricciones virtuales durante dicha trayectoria.

13. Exoesqueleto (1) que recibe a un operador humano, caracterizado por que comprende unos medios de procesamiento de datos (11) configurados para realizar:

- un módulo de generación de una trayectoria del exoesqueleto (1) desde una posición de pie hacia una posición sentada, de manera que dicho exoesqueleto (1) presente en dichas posiciones sentada y de pie una pluralidad de grados de libertad accionados cada uno por un accionador mandado por los medios de procesamiento de datos (11), de manera que no quede sin accionar ningún grado de libertad, estando dicha trayectoria parametrizada en función del tiempo,

- un módulo de ejecución de un controlador asociado a dicho juego de restricciones virtuales de manera que el exoesqueleto (1) pase de la posición de pie a la posición sentada, siendo dicho controlador capaz de generar unas órdenes de dichos accionadores de manera que se respeten dichas restricciones virtuales durante dicha trayectoria.

14. Producto de programa de ordenador, que comprende unas instrucciones de código que conducen a un exoesqueleto (1) según las reivindicaciones 12 o 13, a ejecutar un procedimiento para poner en movimiento un exoesqueleto (1) según una de las reivindicaciones 1 a 11, cuando se ejecuta dicho programa en un ordenador.

15. Medio de almacenamiento legible por un equipo informático sobre el cual se registra el programa de ordenador según la reivindicación 14.