ES2925030T3

ES2925030T3 - Ubicaciones de la articulación de la cadera no antropomórficas para exoesqueletos

Info

Publication number: ES2925030T3
Application number: ES14775935T
Authority: ES
Inventors: Scott Garrett; Robert Moore; Tim Swift; Kurt Amundson; Russdon Angold
Original assignee: Ekso Bionics Inc
Current assignee: Ekso Bionics Inc
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2022-10-13
Anticipated expiration: 2034-03-12
Also published as: US9884421B2; KR101989215B1; PL2968053T3; AU2014240405B2; EP2968053A4; WO2014159608A1; EP2968053A1; AU2014240405A1; EP2968053B1; JP2016512472A; CN105188633B; CA2902577A1; IL241237A0; CA2902577C; IL241237B; KR20150131063A; JP6483081B2; US20160031076A1; CN105188633A

Abstract

Un dispositivo de exoesqueleto (103; 113; 302; 402) permite ajustar selectivamente una posición de pivote/pivote de cadera de exoesqueleto (109; 119; 306; 407; 408; 410) en el plano sagital en relación con la posición del pivote de cadera (133).) de un portador (101; 111; 301; 401) del exoesqueleto (103; 113; 302; 402). Los pivotes de cadera/posiciones de pivote del exoesqueleto (109; 119; 306; 407; 408; 410) se pueden desplazar hacia adelante o hacia atrás en relación con los pivotes de cadera (133) del usuario (101; 111; 301; 401) y se pueden accionado automáticamente por un sistema de control de exoesqueleto o ajustado manualmente por el usuario del exoesqueleto (101; 111; 301; 401). La invención permite en particular la colocación diferencial de la cadera para compensar las condiciones cambiantes de carga o actuación. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Ubicaciones de la articulación de la cadera no antropomórficas para exoesqueletos

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un dispositivo y método que aumenta la fuerza de un usuario y ayuda en la prevención de lesiones durante la realización de ciertas tareas que requieren fuerza. Más particularmente, la presente invención se refiere a un dispositivo adecuado para el uso por una persona que debe realizar tareas de carga de peso o que debe utilizar herramientas pesadas, que comprende un conjunto de miembros artificiales y sistemas de control relacionados que potencian la función mejorada de las extremidades de la persona para actividades que incluyen, entre otras, mayor fuerza y resistencia en los brazos del usuario, o que permiten que el usuario lleve más peso mientras camina.

Se han diseñado exoesqueletos portátiles para aplicaciones médicas, comerciales y militares. Los exoesqueletos médicos están diseñados para ayudar a restaurar la movilidad del usuario. Los exoesqueletos comerciales y militares ayudan a prevenir lesiones y aumentan la fuerza del usuario. Los exoesqueletos comerciales se utilizan para aliviar las cargas soportadas por los trabajadores durante su trabajo, evitando así lesiones de los trabajadores y aumentando su resistencia y fuerza.

Se han realizado pruebas iniciales utilizando un exoesqueleto equipado con un brazo de sujeción de herramienta que soporta el peso de la herramienta. Estos dispositivos reducen la fatiga del usuario al proporcionar asistencia para sujetar las herramientas. El brazo de sujeción de la herramienta transfiere la fuerza vertical necesaria para sujetar la herramienta a través de las piernas del exoesqueleto en lugar de a través de los brazos del usuario. Un problema con el uso de este exoesqueleto es que la herramienta se sostiene delante de las piernas del exoesqueleto. Esto produce un torque descendente hacia delante sobre la articulación de la cadera del exoesqueleto que debe ser resistido por el usuario. Los usuarios tienden a inclinarse excesivamente hacia atrás para compensar este torque hacia delante que coloca cargas no deseadas en el cuerpo del usuario.

Para reducir esta carga en el cuerpo del usuario, se debe aplicar un torque para contrarrestar en la articulación de la cadera. El uso de un resorte para crear este torque generará un torque demasiado grande en la fase de oscilación (a menos que el resorte se pueda desacoplar, y tales mecanismos son generalmente pesados y complejos). Aunque esto puede evitarse con una articulación de cadera accionada, un diseño de este tipo requiere un consumo de energía constante mientras se está de pie, lo que exige baterías pesadas y anula la ventaja. Para un exoesqueleto con caderas no accionadas, se debe instalar un peso detrás del usuario para proporcionar el torque necesario para contrarrestar el peso de la herramienta y minimizar la carga que siente el usuario. Se puede producir un torque antagónico con un rango de pesos y brazos de momento: los pesos más ligeros requieren brazos de momento más largos y los pesos más pesados requieren brazos de momento más cortos. Estos, sin embargo, son indeseables porque los contrapesos más pesados harán que el exoesqueleto sea más pesado y más difícil de mover, mientras que los brazos de momento más largos reducen la maniobrabilidad en lo que es a menudo un ambiente de trabajo reducido.

Al menos por estas razones, existe la necesidad de desarrollar un dispositivo y un método que permitan reducir el torque de la cadera hacia delante en un exoesqueleto con un brazo de sujeción de herramientas. GB 2278041 describe un aparato de exoesqueleto para ayudar al usuario a transportar una carga útil mientras se desplaza por el suelo. US 2007/0123997 describe un exoesqueleto utilizado por un usuario humano.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona un exoesqueleto según lo reivindicado en la reivindicación 1. De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, se proporciona un método para controlar una geometría de cadera de un exoesqueleto según lo reivindicado en la reivindicación 8.

Un objetivo de la presente invención consiste en proporcionar un dispositivo novedoso y método que causa una reducción del torque hacia delante en la articulación de la cadena de un exoesqueleto de sujeción de una herramienta.

Un objetivo adicional de la presente invención consiste en proporcionar un dispositivo novedoso y método que causa una reducción del torque hacia atrás en la articulación de cadera de exoesqueletos donde la carga está detrás del usuario, como en el caso en que el exoesqueleto es utilizado para soportar la carga de una mochila.

Un objetivo adicional de la presente invención consiste en proporcionar un dispositivo novedoso y método que hace posible la reducción del torque hacia delante o hacia atrás en la cadera de un exoesqueleto de manera ajustable, lo que permite al usuario del exoesqueleto o al sistema de control del exoesqueleto seleccionar la reducción del torque para el torque hacia delante o hacia atrás en la articulación de la cadera de un exoesqueleto, según se requiera o se prefiera para diversos movimientos de tareas.

La invención descrita en la presente comprende dispositivos y métodos para reducir el torque hacia delante o hacia atrás en la articulación de la cadera de un exoesqueleto modificando la colocación de la articulación de la cadera del exoesqueleto relativo a la distribución del peso del exoesqueleto en el plano sagital. Estas modificaciones a la colocación de la cadera del exoesqueleto se basan en la tecnología actual de exoesqueleto para permitir que un sistema de exoesqueleto cambie diversos otros parámetros del exoesqueleto, incluyendo, entre otros, una menor entrada de torque en la cadera del usuario del exoesqueleto, menor entrada de torque del actuador de la cadera del exoesqueleto, mayor peso de la herramienta, mayor peso de carga, menor masa del contrapeso trasero, brazos de momento más corto o alguna combinación de estos parámetros.

La forma de realización principal de esta invención comprende un dispositivo de exoesqueleto con un diseño mecánico que desalinea el pivote de cadera del exoesqueleto hacia delante en el plano sagital relativo al pivote de cadera de la persona que lleva el exoesqueleto. Para la aplicación de un exoesqueleto de sujeción de una herramienta, este diseño mecánico reduce el torque antagónico necesario para mantener una herramienta en su lugar.

Una segunda forma de realización de esta invención comprende un dispositivo de exoesqueleto con un diseño mecánico que desalinea el pivote en la cadera del exoesqueleto hacia atrás en el plano sagital relativo al pivote en la cadera de la persona que lleva el exoesqueleto. Para la aplicación de un exoesqueleto de carga de mochila, este diseño mecánico reduce el torque antagónico necesario para mantener una carga en su lugar.

Una tercera forma de realización de esta invención comprende un dispositivo de exoesqueleto con un diseño mecánico que altera de manera ajustable la posición del pivote en la cadera del exoesqueleto en el plano sagital relativo a la posición del pivote en la cadera de la persona que lleva el exoesqueleto. Este dispositivo, que puede ser accionado automáticamente por el sistema de control del exoesqueleto o ajustado manualmente por la persona que lleva el exoesqueleto, permite la colocación diferencial en la cadera para compensar los cambios en las condiciones de carga o activación. Para la aplicación de un exoesqueleto de sujeción de una herramienta, este diseño mecánico reduce el torque antagónico necesario para mantener una herramienta en su lugar mientras se está de pie desplazando el pivote de cadera hacia delante, y aumenta la movilidad del exoesqueleto al caminar o en la maniobra al desplazar el pivote de la cadera hacia atrás.

Otros objetivos, características y ventajas de la invención se harán más evidente a partir de la siguiente descripción de las formas de realización específicas de la invención tomada en conjunto con los dibujos.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La Figura 1a es un dibujo que muestra una vista frontal de un trabajador que sostiene una herramienta sobre su cabeza de acuerdo con la técnica anterior.

La Figura 1b es un dibujo que muestra una vista frontal de un trabajador que lleva un exoesqueleto de sujeción de una herramienta mientras que sostiene una herramienta sobre su cabeza de acuerdo con la invención.

La Figura 2a es una vista lateral esquemática de un trabajador que lleva un exoesqueleto de sujeción de una herramienta.

La Figura 2b es un dibujo que representa una primera forma de realización que muestra una vista lateral esquemática de un trabajador que lleva un exoesqueleto de sujeción de una herramienta, teniendo el exoesqueleto caderas desplazadas hacia delante.

La Figura 2c es una vista lateral esquemática de un trabajador que lleva un exoesqueleto de sujeción de una herramienta que muestra las fuerzas ejercidas por la herramienta, el contrapeso y el suelo, así como las distancias entre las fuerzas descendentes y la cadera de la persona que lleva el exoesqueleto.

La Figura 2d es una representación de la primera forma de realización que muestra una vista lateral esquemática de un trabajador que lleva un exoesqueleto de sujeción de una herramienta con las caderas desplazadas hacia delante mostrando las fuerzas ejercidas por la herramienta, el contrapeso, y el suelo, así como las distancias entre estas fuerzas verticales y la cadera del exoesqueleto en relación con la cadera de la persona que lleva el exoesqueleto. La Figura 2e es un gráfico que muestra la distancia y el peso calculados del contrapeso necesarios para diversas ubicaciones del pivote de cadera, como se muestra en las Figuras 2c y 2d.

La Figura 3a es un dibujo que representa una segunda forma de realización que muestra una vista lateral de una persona que lleva un exoesqueleto con una mochila de carga, con las caderas de este exoesqueleto desplazándose hacia atrás en relación con las caderas de la persona que lleva el exoesqueleto.

La Figura 3b es un dibujo que representa la segunda forma de realización que muestra una vista lateral de una persona que lleva un exoesqueleto con una mochila de carga, con las caderas de este exoesqueleto desplazándose hacia atrás en relación con las caderas de la persona que lleva el exoesqueleto, que muestra las fuerzas ejercidas por la mochila y el suelo, así como las distancias entre la fuerza descendente de la mochila y la cadera de la persona que lleva el exoesqueleto y el desplazamiento (offset) desde la cadera del exoesqueleto hasta la cadera de la persona que lleva el exoesqueleto.

La Figura 4a es un dibujo que representa una tercera forma de realización que muestra una vista lateral esquemática de un trabajador que lleva un exoesqueleto de sujeción de una herramienta que tiene un posicionamiento de la cadera del exoesqueleto ajustable, mostrándose las caderas ajustables del exoesqueleto en la posición hacia delante.

La Figura 4b es un dibujo que representa la tercera forma de realización que muestra una vista lateral esquemática de un trabajador que lleva un exoesqueleto de sujeción de una herramienta que tiene un posicionamiento de la cadera del exoesqueleto ajustable, mostrándose las caderas ajustables del exoesqueleto en la posición hacia atrás.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La presente invención se utiliza en conjunto con un dispositivo ortésico motorizado que aumenta la fuerza de un usuario y ayuda en la prevención de lesiones durante la realización de ciertas tareas que requieren fuerza. Más particularmente, la presente invención se refiere a un dispositivo y método adecuados para el uso por una persona que debe realizar tareas de carga de peso o que debe utilizar herramientas pesadas, que comprende un sistema motorizado de órtesis y sistemas de control relacionados que potencian la función mejorada de las extremidades para actividades que incluyen, entre otras, mayor fuerza y resistencia en los brazos del usuario, o que permiten que el usuario lleve más peso mientras camina.

Como se muestra en la disposición conocida de la Figura 1a, un trabajador 100 sostiene una herramienta pesada 102 (mostrada en esta ilustración como una amoladora pesada) El peso de la herramienta pesada 102 es soportado enteramente por el trabajador 100 durante el transcurso de esta función de trabajo. La Figura 1b muestra al trabajador 101 llevando un exoesqueleto 103, que está sujetado al torso 104 del trabajador 101 por correas personaexoesqueleto 105, de acuerdo con la invención. El exoesqueleto comercial 103 está equipado con el brazo de sujeción de la herramienta 106 que soporta el peso de la herramienta pesada 102. Durante el transcurso de la función de trabajo que se muestra en la Figura 1b, el brazo de sujeción de la herramienta 106 soporta parte o todo el peso de la herramienta pesada 102, con este peso que se transfiere al exoesqueleto 103 que está soportado por las piernas del exoesqueleto 107 configuradas para acoplarse a las extremidades inferiores del usuario y apoyarse sobre una superficie de apoyo durante una fase de postura. Como el diseño específico de la pierna del exoesqueleto debajo de la cadera no es un objetivo de esta invención, y porque el objetivo de esta invención aplica a través de un rango de diseños de piernas del exoesqueleto, el diseño de las piernas no se detallará más. De esta forma, el exoesqueleto 103 soporta el peso de la herramienta pesada 102 y permite al trabajador 101 realizar esta tarea durante períodos de tiempo significativamente más largos con menos fatiga, lo que da como resultado una mayor productividad del trabajador y un menor riesgo de lesiones del trabajador, en relación con el trabajador 100 de la Figura 1a.

Se realizaron pruebas utilizando un exoesqueleto equipado con un brazo de sujeción de herramienta que soporta el peso de la herramienta según lo expuesto anteriormente. Este dispositivo redujo la fatiga de un usuario proporcionando asistencia para la sujeción de una herramienta en la que el brazo de sujeción de la herramienta transfiere la fuerza vertical necesaria para sujetar la herramienta a través de las piernas del exoesqueleto en lugar de a través de los brazos del usuario. Un problema con esta aplicación es que la herramienta se sostiene delante de las piernas del exoesqueleto. Esto produce un torque descendente hacia delante sobre la articulación de la cadera del exoesqueleto que debe ser resistido por la persona que lleva el exoesqueleto. Las personas que lo llevan tienden a inclinarse excesivamente hacia atrás para compensar este torque hacia delante que coloca cargas no deseadas sobre el cuerpo de la persona que lo lleva. Para reducir esta carga en el cuerpo del usuario, se debe aplicar un torque para contrarrestar en la articulación de la cadera del exoesqueleto. Aunque esto puede realizarse con una articulación de cadera de exoesqueleto accionada, un diseño de este tipo requiere un consumo de energía constante mientras se está de pie. Para un exoesqueleto con caderas no accionadas, se debe instalar un peso detrás del usuario para proporcionar el torque necesario para contrarrestar el peso de la herramienta y minimizar la carga que siente el usuario. Se puede producir un torque antagónico con un rango de pesos y brazos de momento: los pesos más ligeros requieren brazos de momento más largos y los pesos más pesados requieren brazos de momento más cortos. Estos, sin embargo, son indeseables porque los contrapesos más pesados harán que el exoesqueleto sea más pesado y más difícil de mover, y los brazos de momento más largos reducen la maniobrabilidad en lo que es a menudo un ambiente de trabajo reducido.

Los pivotes de cadera de exoesqueleto tradicionales están alineados lo más cerca posible a la cadera del usuario para no limitar el rango de movimiento del usuario y minimizar el movimiento relativo entre el exoesqueleto y el usuario. Sin embargo, se ha descubierto que es aceptable violar esta regla en aplicaciones donde no se requiere con frecuencia un gran rango de movimiento de la cadera. Una aplicación de ese tipo es un exoesqueleto de sujeción de una herramienta en el que el usuario se encuentra la mayor parte del tiempo parado y rara vez mueve su cadera a través de un rango de movimiento lo suficientemente grande como para causar un movimiento relativo entre el usuario y el exoesqueleto. Con esta información, se reubicaron los posicionamientos del pivote de la cadera del exoesqueleto para adaptarse mejor a la aplicación. Al mover el pivote de cadera del exoesqueleto delante del pivote de cadera del usuario, se reduce el contrapeso necesario para equilibrar la herramienta. Los ejemplos de un exoesqueleto con un pivote de cadera colocado en una posición similar en el plano sagital al pivote de cadera del usuario, y un exoesqueleto con un pivote de cadera colocado hacia delante en relación con el usuario, se muestran en las Figuras 2a y 2b, en comparación con las Figuras 2c y 2d respectivamente.

Más específicamente, con referencia a la Figura 2a, el trabajador 101 lleva el exoesqueleto comercial 103, que está sujetado al torso 104 del trabajador 101 mediante correas persona-exoesqueleto 105. El exoesqueleto comercial 103 está equipado con el brazo de sujeción de la herramienta 106. El peso del brazo de sujeción de la herramienta 106 se transfiere al exoesqueleto comercial 103 que está soportado por las piernas del exoesqueleto 107 que están conectadas al exoesqueleto 103 por el pivote de cadera 109. A medida que el peso del brazo de sujeción de la herramienta 106 desplaza el equilibrio del exoesqueleto 103 hacia delante, ejerciendo un torque hacia delante en el pivote de la cadera 109, el exoesqueleto 103 está equipado con un contrapeso 108, que ejerce un torque hacia atrás en el pivote de la cadera 109 para contrarrestar el torque hacia delante en el pivote de la cadera 109.

Con referencia a la Figura 2b, el trabajador 111 lleva un exoesqueleto comercial 113, que está sujetado al torso 114 del trabajador 111 mediante correas persona-exoesqueleto 115. El exoesqueleto 113 está equipado con el brazo de sujeción de la herramienta 116. El peso del brazo de sujeción de la herramienta 116 es transferido al exoesqueleto 113 que está soportado por las piernas del exoesqueleto 117 que están conectadas al exoesqueleto 113 por el pivote de cadera desplazada hacia delante 119. La flecha 150 indica la dirección hacia delante en el plano sagital, que en la aplicación suele denominarse “hacia delante”. A medida que el peso del brazo de sujeción de la herramienta 116 desplaza el equilibrio del exoesqueleto 113 hacia delante, ejerciendo un torque hacia delante en el pivote de la cadera 119, el exoesqueleto 113 está equipado con un contrapeso 118, que ejerce un torque hacia atrás en el pivote de la cadera desplazada hacia delante 119 para contrarrestar el torque hacia delante en el pivote de la cadera desplazada hacia delante 119.

Con referencia a la Figura 2c, el trabajador 101 lleva el exoesqueleto comercial 103, posicionándose el pivote de cadera del trabajador 101 y el exoesqueleto 103 en forma conjunta en el plano sagital. El torque sobre el pivote de cadera 109 del exoesqueleto 103 debido al peso y la carga del brazo de la herramienta es creado por la fuerza 121 y el brazo de palanca 122. A partir de las pruebas, se ha comprobado que el trabajador 101 generalmente aplica una fuerza insignificante a la carga, en lugar de estabilizarla generalmente con sus manos; por lo tanto, es razonable suponer que no aplica ninguna fuerza a la carga o al brazo de la herramienta. El torque del contrapeso también actúa sobre el pivote de cadera 109 del exoesqueleto 103. El torque del contrapeso es creado mediante la fuerza 124 debido a la gravedad sobre el contrapeso 108 que actúa sobre el brazo de palanca 125. La fuerza de reacción 126 de la pierna 107 actúa en el pivote de la cadera 109. Si se elige el contrapeso 108 para equilibrar perfectamente la carga dada en un determinado brazo de palanca 122, el equilibrio estático puede escribirse como:

( 1 ) ^121 ^X ^122 ^{— E l}24 ^X ¿125

Donde F xxx indica fuerza xxx y Lyyy indica longitud de brazo de palanca yyy.

Con referencia a la Figura 2d, el trabajador 111 lleva el exoesqueleto comercial 113, con el pivote de cadera del trabajador 111 ubicado en el pivote de cadera del trabajador 133, y el pivote de cadera 119 del exoesqueleto 113 ubicado delante del pivote de cadera del trabajador 133 en una distancia 137. El torque sobre el pivote de cadera 119 del exoesqueleto 113 debido al peso del brazo de la herramienta es creado por la fuerza 131 y el brazo de palanca 132 menos la distancia 137. El torque del contrapeso también sobre el pivote de cadera 119 del exoesqueleto 103 es creado por la fuerza 134 debido a la gravedad sobre el contrapeso 118 y el brazo de palanca 135 más la distancia 137. La fuerza de reacción 123 de la pierna 117 actúa en el pivote de cadera 119 del exoesqueleto 103 desplazado por la distancia de desplazamiento de cadera 137 del pivote de cadera del trabajador 133. Si se elige el contrapeso 124 para equilibrar perfectamente la carga dada en un determinado brazo de palanca 122, el equilibrio estático puede escribirse como:

(2) ¿131 X (¿132 ¿13?) — ¿134 X (¿135 ¿¹³⁷)

Donde Fxxx indica fuerza xxx y Lyyy indica longitud de brazo de palanca yyy.

En el caso de que la configuración del brazo de la herramienta sea generalmente la misma que en la Figura 2c, es decir, cuando F¹³¹= F¹²¹, Li32=Li22, Li25=Li35, entonces F¹³⁴se puede reducir sustancialmente y la masa del contrapeso 124 también se puede reducir sustancialmente, reduciendo así tanto el peso total del exoesqueleto como la fuerza en la pierna del exoesqueleto 117. O, dependiendo del diseño, se puede reducir sustancialmente la longitud del brazo de palanca del contrapeso 135, haciendo que el exoesqueleto comercial 113 sea más maniobrable. En algunas formas de realización, según los objetivos del diseño, la masa del contrapeso y la longitud del brazo de palanca del contrapeso pueden ser reducidas un poco.

Según lo descrito anteriormente y mostrado en las Figuras 2a, 2b, 2c, y 2d, un desplazamiento hacia delante en el posicionamiento del pivote de cadera del exoesqueleto en el plano sagital en relación con el pivote de cadera de la persona que lleva el exoesqueleto da como resultado un exoesqueleto que sujeta una herramienta con un torque de cadera hacia delante reducido como resultado del peso de la herramienta. Por ejemplo, si el pivote de la cadera se desplazara tan adelante como la herramienta, no se necesitaría ningún contrapeso, aunque en la mayoría de las formas de realización esto daría lugar a una cantidad poco práctica de movimiento relativo entre el exoesqueleto y la persona que lleva el exoesqueleto incluso en pequeños rangos de movimiento. La posición del pivote de cadera se selecciona para mantener suficiente flexibilidad para la persona que lleva el exoesqueleto para la tarea dada y controlar el movimiento relativo entre el cuerpo de la persona que lleva el exoesqueleto y el dispositivo, necesitando al mismo tiempo un torque del contrapeso aceptable.

Al mover el pivote de cadera hacia delante, el torque del contrapeso necesario es reducido reduciendo la distancia desde el pivote de cadera del exoesqueleto a la herramienta por la cantidad de desplazamiento de la cadera (desplazamiento de cadera 137 en la Figura 2d). El torque sobre el usuario debido al peso de la herramienta es reducido, lo que permite reducir el torque del contrapeso sin aumentar la carga sobre el usuario del exoesqueleto. El torque del contrapeso se puede reducir reduciendo la distancia entre el peso y el usuario o reduciendo la masa utilizada. La Figura 2e muestra la relación entre las distancias del contrapeso frente a la masa del contrapeso para diversas posiciones del pivote de cadera. Para este gráfico, el peso de la herramienta es de 11,33 kg (25 libras) y el peso del brazo que posiciona la herramienta es de 6,35 kg (14 libras), aunque el análisis es válido en general. La línea 141 con símbolos de círculo abierto representa la relación peso/distancia para un exoesqueleto diseñado con el pivote de cadera alineado con el pivote de cadera del usuario, el eje y 145 representa la distancia desde la persona que lleva el exoesqueleto al contrapeso, y el eje x 146 representa el peso del contrapeso. A medida que aumenta el desplazamiento de cadera, la curva se desplaza hacia menos peso y menor distancia requerida; un exoesqueleto con un desplazamiento de cadera de 2,54 cm (1 pulgada) mostrado por la línea 142 con símbolos de triángulo abierto, un exoesqueleto con un desplazamiento de cadera de 5,08 cm (2 pulgadas) mostrado por la línea 143 con símbolos de triángulo abierto invertido, y un exoesqueleto con un desplazamiento de cadera de 7,62 cm (3 pulgadas) mostrado por la línea 144 con símbolos de cuadrado abierto. Dada una distancia fija desde el usuario del exoesqueleto hasta el contrapeso, la cantidad de contrapeso necesaria disminuye a medida que aumenta la distancia de desplazamiento del pivote de cadera. Asimismo, dada una cantidad fija de contrapeso, la distancia desde el usuario del exoesqueleto hasta el contrapeso requerido disminuye a medida que aumenta la distancia de desplazamiento del pivote de cadera. También se muestra en la Figura 2e la línea 148, que está marcada con símbolos negros de círculo cerrado, que traza la fuerza creciente del componente vertical soportada por la pierna del exoesqueleto en el eje y 147 a medida que el peso del contrapeso aumenta a lo largo del eje x 146.

Un exoesqueleto diseñado para una tarea específica de sujeción de herramientas puede beneficiarse en gran medida de este diseño de pivote de cadera montado hacia delante. El pivote de cadera montado hacia delante aumenta la movilidad del usuario al reducir la distancia que el contrapeso sobresale del usuario. En un espacio reducido, cualquier aumento del tamaño del usuario es indeseable. Entre otras ventajas se incluye la reducción de la masa del contrapeso, lo que reduce la fatiga del usuario al caminar en el dispositivo. En el caso de un exoesqueleto con caderas accionadas, los pivotes de cadera montados hacia delante reducen el consumo de energía debido a la disminución de la entrada de torque del actuador de cadera del exoesqueleto.

En un ejemplo de una forma de realización principal, si un exoesqueleto de sujeción de herramienta fuese diseñado para el uso en espacios reducidos, en un peso de contrapeso dado, la distancia del contrapeso desde el usuario del exoesqueleto podría ser reducida. Basado en el gráfico mostrado en la Figura 2e, un exoesqueleto con un contrapeso de 27,5 libras y sin desplazamiento de cadera requeriría una distancia de 15 pulgadas desde el usuario del exoesqueleto al contrapeso, mientras que un exoesqueleto con un contrapeso idéntico de 12,47 kg (27,5 libras) pero con un desplazamiento de cadera de 7,62 cm (3 pulgadas) sólo requeriría una distancia de 20,32 cm (8 pulgadas) desde la persona que lleva el exoesqueleto hasta el contrapeso. Este contrapeso más corto diferente sería una ventaja significativa para maniobrar el exoesqueleto en espacios reducidos.

Una segunda forma de realización de esta invención comprende un dispositivo de exoesqueleto con un diseño mecánico que desalinea el pivote de la cadera del exoesqueleto hacia atrás en el plano sagital relativo al pivote de la cadera de la persona que lleva el exoesqueleto. Para la aplicación de un exoesqueleto de carga de mochila, este diseño mecánico reduce el torque antagónico necesario para mantener una carga en su lugar por la misma razón que el pivote de cadera debe colocarse delante del usuario cuando la carga está delante del usuario: el usuario podrá adoptar una posición más vertical cuando el pivote del exoesqueleto se coloque cerca del centro de masa de la carga que acepta. Esta clase de ubicaciones de cadera no antropomórficas para exoesqueletos se basa en una visión de la naturaleza de la articulación de la cadera en humanos: la articulación de la cadera se coloca generalmente en línea con el centro de masa de la carga que la articulación de la cadera está soportando, de modo que no se requiera torque alguno sobre la cadera. Al igual que en las anteriores formas de realización, donde puede no ser práctico colocar el pivote de la cadera directamente en línea con la carga, simplemente moviéndolo tan cerca como sea prácticamente factible es suficiente para tener un efecto beneficioso. Es importante señalar que en estas formas de realización, el peso de la persona se transmite al suelo sin el exoesqueleto, es decir, el exoesqueleto no está soportando el peso corporal de la persona a través del pivote de cadera del exoesqueleto. Sin embargo, si la persona está conectada firmemente al tronco del exoesqueleto de manera que el peso corporal de la persona se transfiera al exoesqueleto y a través del pivote de cadera del exoesqueleto, entonces la ubicación ideal del pivote del exoesqueleto será en el centro combinado de masa del torso del exoesqueleto, el torso humano y la carga. Una representación de un exoesqueleto que soporta carga con caderas desplazadas hacia atrás se muestra en las Figuras 3a y 3b.

Con referencia a la Figura 3a y 3b, el trabajador 301 lleva un exoesqueleto comercial 302, que está sujetado al torso 304 del trabajador 301 mediante correas persona-exoesqueleto 305. El exoesqueleto comercial 302 está equipado con la mochila de carga 303 y el actuador de cadera 313, que está configurado para generar torque sobre el pivote de cadera desplazada hacia atrás 306. El pivote de cadera desplazada hacia atrás se desplaza hacia atrás desde el pivote de cadera del trabajador 301 en una distancia 309. El peso de la mochila de carga 303 es transferido al exoesqueleto comercial 302 que está soportado por las piernas del exoesqueleto 307 que están conectadas al exoesqueleto 302 por el pivote de cadera desplazada hacia atrás 306.

Con referencia adicional a las Figuras 3a y 3b, el trabajador 301 lleva el exoesqueleto comercial 302, con el pivote de cadera del trabajador 301 situado en el plano sagital en la línea discontinua 310, y el pivote de cadera del exoesqueleto comercial 302 situado en el plano sagital hacia atrás de la línea discontinua 310 en una distancia 309. El torque sobre el pivote de cadera 306 debido al peso de la mochila de carga 303 es creado por la fuerza debido a la gravedad 308 y el brazo de palanca 311 menos la distancia 309. Debido a la distancia de desplazamiento de cadera del exoesqueleto 309, se reduce el torque que debe suministrar el actuador 313 para contrarrestar el torque generado por la fuerza debido a la gravedad 308. De esta manera, el pivote de cadera desplazada hacia atrás del exoesqueleto comercial 302 disminuye los requisitos del actuador de cadera.

En otra variación de la segunda forma de realización, si se utilizara un exoesqueleto comercial de carga del tipo mochila para transportar objetos pesados por un trabajador a lo largo de una distancia, y el exoesqueleto no tuviera ningún tipo de accionamiento de la cadera (es decir, no tuviera el actuador de cadera 313), el desplazamiento de la ubicación de la articulación de la cadera del exoesqueleto que soporta carga hacia atrás permitiría a la persona ejercer menos entrada física / energía para resistir el torque hacia atrás causado por la carga del exoesqueleto, en relación con un exoesqueleto similar sin las caderas desplazadas hacia atrás. Esta disminución del esfuerzo sostenido por parte del trabajador en el curso de llevar el exoesqueleto con caderas desplazadas hacia atrás permitiría al trabajador llevar la misma carga de peso más lejos, o mayor peso una distancia similar, o realizar una tarea idéntica con menor fatiga y riesgo de lesiones.

En algunas formas de realización, los exoesqueletos accionados producen un torque neto sustancial sobre el pivote de la cadera. Un ejemplo de este tipo de dispositivo es descrito en la solicitud US 12/468.487 que se incorpora a la presente como referencia. En este dispositivo, un torque grande es generado sobre el pivote de la cadera por los actuadores en la misma dirección como si hubiera una carga trasera en el exoesqueleto de modo que el exoesqueleto proporciona asistencia propulsiva. Como resultado, el usuario debe inclinarse hacia delante para equilibrar el torque transferido del torso del exoesqueleto al torso del usuario; el torque del exoesqueleto es la combinación del torque del actuador y cualquier carga, ya sea delante o detrás del exoesqueleto. Si la condición de carga típica y torques del actuador son conocidos, es posible equilibrar las cargas sobre el pivote de cadera de acuerdo con la presente invención moviendo el pivote de cadera una distancia apropiada desde la ubicación antropomórfica normal. Típicamente, en esta forma de realización, el pivote se movería hacia atrás a menos que la carga en el frente del exoesqueleto fuera bastante grande.

Una tercera forma de realización de esta invención comprende un dispositivo de exoesqueleto con un diseño mecánico que altera de manera ajustable la posición del pivote en la cadera del exoesqueleto en el plano sagital relativo a la posición del pivote en la cadera de la persona que lleva el exoesqueleto. Este dispositivo, que puede ser accionado automáticamente por el sistema de control del exoesqueleto o ajustado manualmente por la persona que lleva el exoesqueleto, permite la colocación diferencial en la cadera para compensar los cambios en las condiciones de carga o activación. Para la aplicación de un exoesqueleto de sujeción de una herramienta, este diseño mecánico reduce el torque antagónico necesario para mantener una herramienta en su lugar mientras se está de pie desplazando el pivote de cadera hacia delante, y aumenta la movilidad del exoesqueleto al caminar o en la maniobra al desplazar el pivote de la cadera hacia atrás. Este tipo de dispositivo de exoesqueleto se muestra en las Figuras 4a y 4b.

Con referencia a la Figura 4a, un trabajador 401 lleva un exoesqueleto comercial 402, que está sujetado al torso 403 del trabajador 401 mediante correas persona-exoesqueleto 404. El exoesqueleto comercial 402 está equipado con el brazo de sujeción de la herramienta 405 y el contrapeso 400. El peso del brazo de sujeción de la herramienta y la carga 405 se transfiere al exoesqueleto comercial 402 que está soportado por las piernas del exoesqueleto 409 que están conectadas al exoesqueleto 402 por el pivote de cadera ajustable 407. Debido a que el peso del brazo de sujeción de herramienta 405 y la carga 406 desplaza el equilibrio del exoesqueleto 402 hacia delante, el pivote de cadera ajustable 407 se desplaza a la posición de pivote de cadera ajustable hacia delante 408 para equilibrar los torques generados por el contrapeso 400, el brazo 405 y la carga 415.

En algunas formas de realización, el exoesqueleto puede mover automáticamente el ajuste 406 utilizando un sistema de control electrónico, mientras que en otras formas de realización, la persona puede mover manualmente el dispositivo de ajuste 406. En algunas formas de realización, el pivote puede tener posiciones discretas, mientras que en otras, la posición puede ser continuamente ajustable.

Con referencia a la Figura 4b, el trabajador 401 lleva un exoesqueleto comercial 402, que está sujetado al torso 403 del trabajador 401 mediante correas persona-exoesqueleto 404. El exoesqueleto comercial 402 está equipado con el brazo de sujeción de la herramienta 405, pero sin carga alguna. El peso del brazo de sujeción de la herramienta 405 se transfiere al exoesqueleto comercial 402 que está soportado por las piernas del exoesqueleto 409 que están conectadas al exoesqueleto 402 por el pivote de cadera regulable 407. Debido a que la falta de carga desplaza el equilibrio del exoesqueleto 402 hacia atrás, el pivote de cadera regulable 407 se coloca en posición de pivote de cadera ajustable hacia atrás 410 para equilibrar los torques generados por el contrapeso 400 y el brazo 405. Por supuesto, en una configuración más, análoga no diagramada, la posición del pivote de la cadera del dispositivo diagramado en la Figura 3 podría ser regulable de la misma manera descrita en la presente, permitiendo el ajuste de la posición de la cadera basado en la carga colocada en la parte posterior del dispositivo.

Mediante el ajuste del pivote de cadera ajustable 407, las longitudes del brazo de palanca en la ecuación 2, descrita anteriormente, ahora se pueden cambiar. Específicamente, haciendo referencia nuevamente a la Figura 2d y la ecuación 2, se puede cambiar L¹³⁷para adaptarse a la carga transportada, permitiendo que el exoesqueleto o la persona reduzca el torque que la persona debe aplicar en su cadera para equilibrar la carga en tiempo real.

Si bien se ha descrito con respecto a las formas de realización preferidas de la invención, debe entenderse que podrían realizarse diversos cambios y/o modificaciones sin apartarse del espíritu de la invención. Ciertamente, hay muchas maneras posibles de cambiar el desplazamiento del pivote de la cadera del exoesqueleto relativo a la cadera de la persona que lleva el exoesqueleto. Por ejemplo, la parte pélvica del exoesqueleto podría tener un mecanismo de tornillo que permita a la persona que lo lleva ajustar manualmente la profundidad de la pelvis (es decir, cambiar la distancia desde la parte posterior del dispositivo al pivote de la cadera) girando un asa conectada al tornillo. Alternativamente, el dispositivo podría ajustar automáticamente esta posición accionando un motor conectado al tornillo. En una forma de realización muy simple, podrían colocarse almohadillas de espesor diferente entre el torso del usuario y la parte posterior del exoesqueleto de modo que la distancia relativa entre el exoesqueleto y los pivotes de cadera del usuario sería cambiada en función del espesor de la almohadilla.

En un ejemplo de esta tercera forma de realización, un trabajador lleva un exoesqueleto de sujeción de una herramienta que tiene posicionamiento de pivote de cadera ajustable. Si bien el trabajador está operando una herramienta pesada durante un largo período de tiempo, los pivotes de cadera del exoesqueleto están en una posición hacia delante, en relación con las caderas del trabajador, con el fin de reducir el torque hacia delante en el pivote de cadera del exoesqueleto. Cuando el trabajador termina con esta tarea de uso de herramienta, el trabajador acciona un interruptor que activa un motor que cambia el pivote de cadera ajustable hacia atrás a una posición que está alineada con las caderas del trabajador. Con los pivotes de cadera del exoesqueleto en esta posición alineada el trabajador puede maniobrar más fácilmente y caminar en el exoesqueleto, permitiendo un reposicionamiento del exoesqueleto que sujeta la herramienta en la siguiente posición donde se requiere el uso de la herramienta. Cuando el trabajador llega a la nueva ubicación en la que se requiere el trabajo, vuelve a accionar el interruptor, accionando un motor que ajusta los pivotes de cadera del exoesqueleto en la posición hacia delante, una posición que es más adecuada para el uso prolongado de la herramienta en términos de equilibrio del exoesqueleto.

En otras formas de realización, puede ser ventajoso tener caderas del exoesqueleto ajustables que pueden ser desplazadas en el plano sagital tanto hacia delante como hacia atrás de las caderas de la persona que lleva el exoesqueleto. Esto permitiría una reducción del torque hacia delante o hacia atrás, y puede ser ventajoso para exoesqueletos que están diseñados para la elevación transitoria de cargas frontales muy pesadas, tales como exoesqueletos, que probablemente tendrían caderas accionadas, que realizan tareas de apilamiento, desapilamiento, reubicación o carga de objetos pesados del tipo tipo carretilla elevadora. Estos exoesqueletos probablemente se montarían con contrapesos traseros muy pesados para compensar el torque de la cadera hacia delante mientras se realizaba la elevación frontal o el transporte de carga, y experimentarían un torque hacia atrás significativo cuando la parte delantera del exoesqueleto no estaba cargada. El ajuste hacia delante de los pivotes de la cadera del exoesqueleto mientras está cargado frontalmente y el ajuste hacia atrás de los pivotes de la cadera del exoesqueleto mientras no está cargado sería ventajoso para reducir el torque de la cadera y el correspondiente requisito de potencia del actuador del exoesqueleto para contrarrestar el torque de la cadera. En cualquier caso, los pivotes de la cadera del exoesqueleto no están alineados con los pivotes de la cadera del usuario en un cierto rango de ángulos entre el torso y los soportes de las piernas.

En otras formas de realización, puede ser deseable que el pivote de la cadera sea policéntrico. Las articulaciones policéntricas son articulaciones en las que el centro de la articulación se mueve a medida que se mueve el ángulo entre los eslabones de entrada y salida. Un ejemplo simple muy comprendido en la técnica es un mecanismo de cuatro barras. Es posible que un mecanismo de cuatro barras sea diseñado y utilizado como un pivote de cadera de modo que el pivote de cadera esté generalmente delante del exoesqueleto cuando la persona que lleva el exoesqueleto está en posición vertical, como sería deseable en la primera forma de realización descrita anteriormente, pero de modo que se mueva hacia atrás y hacia una posición generalmente antropomórfica a medida que el ángulo de la cadera se vuelve mucho más grande, como cuando la persona se sienta o se pone en cuclillas. Esta forma de realización tiene la ventaja de proporcionar un pivote de cadera hacia delante mientras se está de pie, pero moviendo el pivote de cadera a una posición antropomórfica durante grandes oscilaciones de modo que el movimiento entre el exoesqueleto y el usuario no sea grande durante estas maniobras. Debe entenderse que esta forma de realización podría ser utilizada en conjunto con las otras formas de realización descritas en la presente, incluyendo exoesqueletos accionados y exoesqueletos en los que la ubicación del pivote de la cadera es ajustable. Los detalles del mecanismo policéntrico no son descritos en la presente pero, basado en esta descripción, un experto en la técnica podría diseñar fácilmente un mecanismo que mueve continuamente el pivote de la cadera entre diversas ubicaciones en función del ángulo de la cadera para alcanzar diversas configuraciones óptimas (es decir, para exoesqueletos donde la carga estará delante, el pivote podría moverse hacia delante al estar de pie; para exoesqueletos donde la carga estará detrás, el pivote podría moverse hacia atrás al estar de pie).

Finalmente, hay que tener en cuenta que, en todas las formas de realización, el exoesqueleto puede soportar el peso del usuario. Alternativamente, en todas las formas de realización el exoesqueleto sólo puede soportar el peso del exoesqueleto y la herramienta o carga, como se prefiere para la aplicación del exoesqueleto. Además, en todas las formas de realización, el exoesqueleto podría tener una o más articulaciones accionadas, incluyendo pero no limitado a las articulaciones de cadera y rodilla. Estas articulaciones accionadas pueden o no ayudar en la propulsión del exoesqueleto y de la persona que lleva el exoesqueleto.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un exoesqueleto (113) configurado para ser acoplado a un usuario (111), comprendiendo dicho exoesqueleto (113):

soportes de primera y segunda pierna (117) configurados para acoplarse a los miembros inferiores del usuario (111) y apoyarse sobre una superficie de apoyo (151) durante una fase de postura; y

un torso de exoesqueleto configurado para acoplarse a una parte superior del cuerpo (114) del usuario (111), estando dicho torso interconectado a cada uno de los soportes de la primera y segunda pierna (117) en los respectivos pivotes de cadera del exoesqueleto (119) para permitir la flexión y extensión entre los soportes de la primera y segunda pierna (117) y el torso del exoesqueleto sobre los ejes de cadera del exoesqueleto respectivos, en donde dichos ejes de cadera del exoesqueleto no están alineados con los ejes pivotantes de los pivotes de cadera del usuario (111), en donde dichos pivotes de cadera del exoesqueleto (119) son movibles con respecto a dicho torso por lo que dichos ejes de cadera del exoesqueleto pueden estar selectivamente desalineados con los ejes pivotantes de los pivotes de cadera del usuario (111).

2. El exoesqueleto (113) de la reivindicación 1, que comprende además una carga (102) conectada al exoesqueleto (113), en donde dichos ejes de cadera del exoesqueleto están desplazados con respecto a los ejes pivotantes de los pivotes de cadera del usuario (111) en una dirección de la carga (102) conectada a dicho exoesqueleto (113).

3. El exoesqueleto (113) de la reivindicación 2, que comprende además un brazo de soporte de carga (116) configurado para sostener la carga (102) delante del usuario (111) y configurado para acoplarse a dicho torso, donde dichos ejes de cadera del exoesqueleto son desplazados hacia delante de los ejes pivotantes de los pivotes de cadera del usuario (111).

4. El exoesqueleto (113) de la reivindicación 2, que comprende además un brazo de soporte de carga (116) configurado para sostener una carga (102) detrás del usuario (111) y configurado para acoplarse a dicho torso, donde dichos ejes de cadera del exoesqueleto son desplazados hacia atrás de los ejes pivotantes de los pivotes de cadera del usuario (111).

5. El exoesqueleto (113) de la reivindicación 1, en donde los ejes de cadera del exoesqueleto pueden ser selectivamente posicionados hacia delante o hacia atrás de los ejes pivotantes de los pivotes de cadera del usuario (111).

6. El exoesqueleto (113) de la reivindicación 1, en donde dichos ejes de cadera del exoesqueleto no están alineados con los ejes pivotantes de los pivotes de cadera del usuario (111) en un cierto rango de ángulos entre dicho torso y dichos soportes de piernas (117).

7. El exoesqueleto (113) de la reivindicación 6, en donde dichos pivotes de cadera del exoesqueleto (119) son policéntricos.

8. Un método de control de la geometría de cadera de un exoesqueleto (113) que incluye soportes de primera y segunda pierna (117) configurados para acoplarse a un miembro inferior de una persona (111) y apoyarse sobre una superficie de apoyo (151) durante una fase de postura, y un torso del exoesqueleto configurado para acoplarse a una parte superior del cuerpo (114) de la persona (111) y llevar una carga (102), estando dicho torso del exoesqueleto interconectado a cada uno de los soportes de primera y segunda pierna (117) en los respectivos pivotes de cadera del exoesqueleto (119) para permitir la flexión y extensión entre los soportes de primera y segunda pierna (117) y el torso del exoesqueleto sobre los ejes de cadera del exoesqueleto respectivos, comprendiendo dicho método:

variar una posición de cada uno de dichos pivotes de cadera del exoesqueleto (119) en relación con dicho torso del exoesqueleto para reducir un torque generado por la carga (102) sobre dichos pivotes de cadera del exoesqueleto (119) cuando dichos soportes de pierna (117) están apoyados sobre dicha superficie de apoyo (151).

9. El método de la reivindicación 8, en donde los pivotes de cadera del exoesqueleto (119) son desplazados hacia delante en relación con el torso del exoesqueleto.

10. El método de la reivindicación 8, en donde los pivotes de cadera del exoesqueleto (119) son desplazados hacia atrás en relación con el torso del exoesqueleto.

11. El método de la reivindicación 8, en donde los pivotes de cadera del exoesqueleto (119) son desplazados automáticamente en relación con el torso del exoesqueleto.

12. El método de la reivindicación 8, en donde los pivotes de cadera del exoesqueleto (119) son desplazados manualmente hacia delante en relación con el torso del exoesqueleto.

13. El método de la reivindicación 8, en donde la posición de cada uno de dichos pivotes de cadera del exoesqueleto (119) es variada de modo que los respectivos ejes de cadera del exoesqueleto no estén alineados con los ejes pivotantes de los pivotes de cadera de una persona (111) acoplados al exoesqueleto (113), siendo los pivotes de cadera del exoesqueleto (119) selectivamente desplazados en un cierto rango de ángulos.