ES2928990T3

ES2928990T3 - Mano mecánica

Info

Publication number: ES2928990T3
Application number: ES19772799T
Authority: ES
Inventors: Edward William Varley; Martin Wallace; Simon David Taylor; Zayd Hamid Ally
Original assignee: Covvi Ltd
Current assignee: Covvi Ltd
Priority date: 2018-09-25
Filing date: 2019-09-13
Publication date: 2022-11-24
Anticipated expiration: 2039-09-13
Also published as: US20220048200A1; US11951609B2; GB2577499B; EP3856088B1; GB2577499A; EP3856088A1; GB201815633D0; WO2020065263A1; PT3856088T; EP3856088B8

Abstract

La presente solicitud describe una pieza protésica o robótica (500), que comprende al menos un miembro de falange (532) acoplado de manera pivotante a una base (509) en un eje de pivote; y un conjunto impulsor para mover selectivamente el miembro de falange alrededor del eje de pivote a lo largo de un plano de flexión/extensión entre una posición abierta y una posición cerrada, comprendiendo dicho conjunto impulsor un elemento impulsor (512) acoplado a un actuador (506) y un elemento accionado (514) acoplado al miembro de falange; en el que el elemento accionado (514) se puede desacoplar del elemento impulsor (512) cuando una fuerza externa hace que el miembro de falange se mueva en una primera dirección de rotación alrededor del eje de pivote. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Mano mecánica

La presente invención se refiere a manos mecánicas tales como las de un robot o una prótesis de mano humana. En particular, pero no exclusivamente, la presente invención se refiere a una prótesis de mano que tiene funcionalidad y funcionamiento mejorados.

Una prótesis de mano convencional se controla normalmente mediante una pluralidad de electrodos situados en el miembro del usuario las cuales detectan señales eléctricas generadas por los músculos del usuario y envían las señales correspondientes a un controlador de la prótesis de mano. El controlador acciona motores en respuesta a las señales recibidas las cuales, a su vez, accionan motores para mover los dedos de la prótesis de mano. Las señales en general se asignan para abrir (extender) y cerrar (flexionar) los dedos en relación con la porción de la palma de la mano.

Algunos dispositivos también proporcionan un pulgar ajustable que ofrece posiciones de pulgar opuestas o no opuestas seleccionables. La posición opuesta del pulgar es cuando el pulgar está mirando, es decir, opuesto a los pulgares para permitir agarres por ejemplo de 'pellizco', 'trípode', 'poder', 'gancho' y 'gatillo'. El usuario puede mover manualmente el pulgar para acoplarlo con el dedo índice solamente (agarre de pellizco) o con los dedos índice y medio (agarre de trípode) cuando está en una configuración 'opuesta' cerrada. Dichos agarres pueden usarse para recoger y manipular objetos pequeños. Con el pulgar en la posición opuesta, un agarre de 'poder' es donde los dedos, seguidos por el pulgar, se cierran sobre un objeto y pueden usarse para apretar una pelota o algo similar. Un agarre de 'gancho' es un 'agarre de poder' parcialmente cerrado para llevar un maletín o similar. Se puede usar un agarre de 'gatillo' para accionar el gatillo de una botella de spray, por ejemplo, en donde la botella se sujeta entre el pulgar y los dedos medio, anular y meñique y los dedos índice se cierran para accionar el gatillo de la botella. La posición del pulgar no opuesto es cuando el pulgar mira en una dirección perpendicular a los dedos, es decir, en línea con la porción de la palma, para permitir por ejemplo, agarres de 'tecla', 'punta de dedo', 'ratón' y 'columna'. El agarre 'tecla es donde los dedos están parcialmente cerrados en relación con la porción de la palma y el pulgar se cierra en el lado del dedo índice. Dicho agarre puede usarse para sujetar una cuchara o similar. El agarre de 'punta de dedo' es donde los dedos anular, medio y meñique están cerrados en relación con la porción de la palma, el dedo índice está extendido y el pulgar está cerrado contra el dedo medio. Dicho agarre puede usarse para presionar un timbre o escribir en un teclado. El agarre de 'ratón' es donde el pulgar y el dedo meñique se acoplan al ratón del ordenador y el dedo índice se usa para operar el botón del ratón. El agarre de 'columna' es donde el pulgar se cierra en relación con la porción de la palma y los dedos se cierran sobre el pulgar. Dicho agarre puede usarse para empujar objetos pesados o al vestirse para impedir que el pulgar se enganche en la ropa.

Sin embargo, el usuario debe usar su otra mano para mover manualmente el pulgar de la prótesis de mano a la posición opuesta o no opuesta dependiendo del patrón de agarre deseado. Esto requiere esfuerzo y tiempo, no es muy discreto y puede ser difícil adaptar la posición, la detección y la fuerza del índice para un usuario específico, particularmente en vista de los diferentes requisitos y entornos para la prótesis de mano entre diferentes usuarios y en diferentes países. Además, las dos posiciones de rotación del pulgar ofrecen opciones de agarre limitadas y la fuerza requerida para mover el pulgar entre las posiciones opuestas y no opuestas es relativamente alta, lo cual puede hacer que la prótesis de mano gire indeseablemente alrededor de la conexión de la muñeca en relación con el miembro o golpe del objeto a agarrar.

Las prótesis de manos controladas de manera eléctrica se dividen en general en dos categorías; dispositivos terminales robustos 'myo' controlados de manera eléctrica y dispositivos multiarticulados compatibles que se asemejan con mayor precisión a una mano humana. Para lograr una gran fuerza de agarre con capacidad de movimiento rápido, las manos myo básicas suelen incluir una caja de transmisión automática de dos velocidades. La destreza adicional proporcionada por las manos multiarticuladas normalmente viene con el compromiso de que producen una fuerza de agarre reducida.

Tradicionalmente, los actuadores para accionar un pulgar se han montado dentro del cuerpo del pulgar, ya sea accionando un engranaje helicoidal alrededor de una rueda helicoidal estática o, alternativamente, un diseño de articulación con una tuerca de tornillo de avance que se tira en el eje del pulgar y el conjunto hace que el pulgar gire hacia adelante y atrás. Ambos diseños están limitados al tamaño de los actuadores los cuales pueden acomodarse dentro del pulgar, lo cual a su vez limita la fuerza de agarre. Además, la línea de acción de estos pequeños motores en relación con la dirección de la fuerza de agarre requerida también reduce significativamente la eficiencia del pulgar.

Además, tradicionalmente los motores se ubicaban en los dedos o se montaban en la palma de la mano, con el motor paralelo al actuador del tornillo de avance. Las manos multiarticuladas con el motor montado en los dedos alejan el centro de gravedad del usuario, lo que genera un mayor momento alrededor del punto de conexión del encaje y, por lo tanto, aumenta la posibilidad de incomodidad y también limita la potencia del motor que se puede instalar, resultando en una mano relativamente débil. Las manos multiarticuladas con el motor montado en la palma, y en paralelo con un actuador de tornillo de avance, permiten el uso de actuadores relativamente potentes, pero dan como resultado una sección de la palma anormalmente profunda. Las manos mecánicas conocidas se describen en los documentos US2013/175816, US2013/053984, US2018/133028 y CN107932541, por lo que el documento US2018/133028 divulga un dispositivo según el preámbulo de la reivindicación 1.

Es un objetivo de ciertas realizaciones de la presente invención proporcionar una prótesis de mano que tenga una funcionalidad y un funcionamiento mejorados.

Es un objetivo de ciertas realizaciones de la presente invención proporcionar una prótesis de mano que sea capaz de producir fuerzas de agarre similares a las de un dispositivo terminal 'myo' controlado de manera eléctrica, manteniendo la destreza y el agarre flexible de una mano multiarticulada.

Es un objetivo de ciertas realizaciones de la presente invención proporcionar una prótesis de mano que tenga un conjunto de accionamiento de dedo y/o pulgar relativamente compacto.

Es un objetivo de ciertas realizaciones de la presente invención proporcionar una prótesis de mano que incluya un actuador relativamente potente montado en la palma, pero con un sistema de accionamiento en línea el cual monta el motor relativamente cerca de la muñeca para garantizar así que un centro de gravedad del dispositivo está relativamente cerca del cuerpo del usuario y se reduce la fatiga del paciente.

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, se proporciona una parte protésica o robótica que comprende:

al menos un miembro de falange acoplado de forma pivotante a una base en un eje de pivote; y

un conjunto de accionamiento para mover selectivamente el miembro de falange alrededor del eje de pivote a lo largo de un plano de flexión/extensión entre una posición abierta y una posición cerrada, comprendiendo dicho conjunto de accionamiento:

un tornillo de avance giratorio selectivamente alrededor de un eje de tornillo de avance por un motor;

una tuerca de tornillo de avance montada en el tornillo de avance; y

un deslizador de tornillo de avance acoplado al miembro de falange y empujado contra la tuerca de tornillo de avance por al menos un resorte que empuja al miembro de falange hacia la posición abierta;

en la que, en respuesta a que el tornillo de avance gira en una primera dirección de rotación alrededor del eje del tornillo de avance, la tuerca del tornillo de avance se mueve en una primera dirección de traslación con respecto al eje del tornillo de avance para empujar el deslizador del tornillo de avance en la primera dirección de traslación y girar el miembro de falange alrededor de el eje de pivote hacia la posición cerrada;

y en la que, en respuesta a que el tornillo de avance gira en una segunda dirección de rotación alrededor del eje del tornillo de avance, la tuerca del tornillo de avance se mueve en una segunda dirección de traslación con respecto al eje del tornillo de avance y el al menos un resorte empuja el deslizador del tornillo de avance para seguir la tuerca del tornillo de avance en la segunda dirección de traslación y girar el miembro de falange alrededor del eje de pivote hacia la posición abierta;

y en la que, en respuesta a que una fuerza externa hace que el miembro de falange gire alrededor del eje de pivote hacia la posición cerrada, el deslizador del tornillo de avance se mueve en la primera dirección de traslación y se aleja de la tuerca del tornillo de avance.

[0013] Opcionalmente, al menos el deslizador del tornillo de avance está restringido giratoriamente y guiado en traslación con respecto al eje del tornillo de avance por al menos un miembro de guía.

[0014] Opcionalmente, el al menos un miembro de guía comprende un par de miembros de guía alargados ubicados a cada lado del tornillo de avance y orientados paralelos con el tornillo de avance, y el deslizador del tornillo de avance comprende un par de orificios pasantes separados para recibir uno respectivo de los miembros de la guía.

[0015] Opcionalmente, la parte comprende un sensor para determinar una posición del deslizador del tornillo de avance y, a su vez, una posición rotacional del miembro de falange alrededor del eje de pivote.

Opcionalmente, el sensor comprende un potenciómetro lineal.

Opcionalmente, el conjunto de accionamiento comprende un conjunto de engranajes de dos velocidades acoplado entre el motor y el tornillo de avance y conmutable entre una salida de torque bajo, alta velocidad y una salida de torque alto y baja velocidad.

Opcionalmente, el tornillo de avance, la tuerca del tornillo de avance y el deslizador del tornillo de avance están dispuestos coaxialmente entre sí para compartir un eje central común.

Opcionalmente, el eje central común es sustancialmente coaxial con un eje longitudinal del miembro de falange cuando está en una posición extendida abierta con respecto a la base.

Opcionalmente, el eje central común es sustancialmente paralelo con la trayectoria de una región del extremo distal del miembro de falange cuando se mueve a lo largo del plano de flexión/extensión.

De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención, se proporciona una mano mecánica que comprende al menos una parte de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención.

Opcionalmente, la mano mecánica comprende:

una pluralidad de conjuntos de dedos, cada uno de los cuales comprende al menos una parte que tiene al menos un miembro de falange de dedo que se puede mover selectivamente mediante un respectivo conjunto de accionamiento de dedo de la parte alrededor de un eje de pivote de dedo a lo largo de un plano de flexión/extensión de dedo y entre una posición abierta de dedo y una posición cerrada de dedo; y

un conjunto de pulgar que comprende el al menos una parte que tiene al menos un miembro de falange que se puede mover selectivamente mediante un conjunto de accionamiento de pulgar de la parte alrededor de un eje de pivote del pulgar a lo largo de un plano de flexión/extensión del pulgar y entre una posición abierta del pulgar y una posición cerrada del pulgar;

en la que el tornillo de avance, la tuerca del tornillo de avance y el deslizador del tornillo de avance de cada conjunto de accionamiento están dispuestos coaxialmente entre sí para compartir un eje central común del respectivo conjunto de dedos o conjunto de pulgar cuando están en la posición abierta de dedo o posición abierta de pulgar.

Opcionalmente, el eje central común de cada conjunto de accionamiento de dedo es sustancialmente coaxial con un eje longitudinal del miembro de falange de dedo cuando está en la posición abierta.

Opcionalmente, el eje central común del conjunto de accionamiento del pulgar es sustancialmente paralelo a la trayectoria de una región del extremo distal del miembro de la falange del pulgar cuando se mueve a lo largo del plano de flexión/extensión del pulgar.

Opcionalmente, el eje central común del conjunto de accionamiento del pulgar es sustancialmente perpendicular al eje de muñeca de la mano.

[0026] Opcionalmente, el conjunto de pulgar puede rotar selectivamente alrededor de un eje de rotación del pulgar entre una posición opuesta y una posición no opuesta con respecto a los conjuntos de dedo.

Opcionalmente, el eje de rotación del pulgar es sustancialmente paralelo al eje de muñeca de la mano.

Descripción de los dibujos

Ciertas realizaciones de la presente invención se describirán ahora con referencia a los dibujos adjuntos en los cuales:

la Figura 1a ilustra el lado posterior de una prótesis de mano de acuerdo con ciertas realizaciones de la presente invención;

la Figura 1b ilustra el lado de la palma de la mano de la Figura 1a con el pulgar en una posición no opuesta;

la Figura 1c ilustra la mano de las Figuras 1a y 1b con el pulgar en una posición opuesta;

la Figura 1d ilustra una vista lateral de la mano de las Figuras 1a a 1c con el pulgar en una posición opuesta;

la Figura 1e ilustra una vista lateral de la mano de las Figuras 1a a 1d con el pulgar en una posición opuesta y en un estado flexionado;

a Figura 1f ilustra una vista lateral de la mano de las Figuras 1a a 1e con el pulgar en una posición opuesta y los dedos en un estado flexionado;

a Figura 2a ilustra un mecanismo de rotación del pulgar de la mano de las Figuras 1a a 1f;

a Figura 2b ilustra una vista en despiece de una caja de transmisión del mecanismo de rotación del pulgar de la Figura 2a;

a Figura 2c ilustra una vista en planta del mecanismo de rotación del pulgar con el pulgar en la posición no opuesta; a Figura 2d ilustra una vista en planta del mecanismo de rotación del pulgar con el pulgar en la posición opuesta; a Figura 3a ilustra un mecanismo oscilante del pulgar del conjunto de pulgar de la mano de las Figuras 1a a 1f; a Figura 3b ilustra una sección a través del mecanismo oscilante de pulgar de la Figura 3a;

a Figura 3c ilustra una vista de extremo del mecanismo oscilante de pulgar de las Figuras 3a y 3b;

a Figura 3d ilustra una vista en planta del mecanismo oscilante de pulgar de las Figuras 3a a 3c;

as Figuras 3e a 3g ilustran una realización alternativa del mecanismo oscilante de pulgar;

as Figuras 4a y 4b ilustran el conjunto de pulgar de la mano de las Figuras 1a a 1f en un estado extendido;

as Figuras 4c y 4d ilustran el conjunto de pulgar de la mano de las Figuras 1a a 1f en un estado flexionado; as Figuras 5a y 5c ilustran una vista lateral de un conjunto de dedos de la mano de las Figuras 1a a 1f en un estado extendido;

as Figuras 5b y 5d ilustran el conjunto de dedos de las Figuras 5a y 5c en un estado flexionado;

a Figura 6a ilustra un conjunto de muñeca de la mano de las Figuras 1a a 1f;

a Figura 6b ilustra una vista lateral en sección transversal del conjunto de muñeca de la Figura 6a en un estado flexionado;

as Figuras 6c y 6d ilustran una disposición de bloqueo del conjunto de muñeca de las Figuras 6a y 6b en un estado desbloqueado y bloqueado respectivamente;

as Figuras 6e a 6i ilustran un mecanismo de accionamiento de la disposición de bloqueo de las Figuras 6c y 6d; as Figuras 7a a 7d ilustran una diversidad de agarres diferentes los cuales un usuario puede desear seleccionar; a Figura 8 ilustra un proceso de inicialización de un método de control;

a Figura 9 ilustra un proceso de cambio de agarre del método de control;

a Figura 10 ilustra una representación esquemática del control de movimiento de dedos del método de control; a Figura 11 ilustra las etapas secuenciales de la operación de movimiento de los dedos del método de control; la Figura 12 ilustra una secuencia de pulsos de motor del método de control; y

a Figura 13 ilustra un proceso de mantenimiento del agarre del método de control.

Descripción detallada

Como se ilustra en las Figuras 1a a 1f, una prótesis 100 de mano de acuerdo con ciertas realizaciones de la presente invención incluye una pluralidad de conjuntos 102 de dedos, cada uno de los cuales se extiende a partir de una región 106 de la palma y un conjunto 104 de pulgar. La mano 100 termina en una región 108 de la muñeca que la cual puede conectar de manera removible a una cuenca (no mostrada) en el cual se aloja un miembro residual de un usuario. La cuenca incluye una pluralidad de sensores/electrodos dispuestos para acoplarse con la piel del usuario y detectar señales eléctricas generadas intencionalmente por los músculos del usuario las cuales luego son utilizadas por un controlador para controlar selectivamente los conjuntos 102 de dedos y el conjunto 104 de pulgar de la prótesis 100 de mano. La conexión entre la región de la muñeca y la cuenca puede ser cualquier conexión adecuada, tal como una conexión de bayoneta, una conexión roscada, una conexión de encaje a presión, una conexión por fricción, o similares para asegurar la prótesis de mano a la cuenca y permitir las señales eléctricas para que pasen a partir de los sensores a la ubicación del controlador en la mano. Alternativamente, los sensores pueden comunicarse de forma inalámbrica con el controlador ubicado en la mano, por ejemplo, a través de un Bluetooth™ o conexión Wi-Fi, o el controlador puede ubicarse de forma remota a partir de la mano y conectarse de forma inalámbrica para operar la mano.

Como se ilustra, por ejemplo, en la Figura 1f, un chasis 200 base de la mano 100 sobre la cual se apoyan los conjuntos 102 de dedos, la región 106 de la palma y el conjunto 104 de pulgar está acoplado de manera pivotante a la región 108 de la muñeca.

Conjunto de pulgar

Como se ilustra en la Figura 2a, un primer motor 210 está montado en el chasis 200 base de tal manera que su eje 212 de transmisión sea sustancialmente paralelo, si no sustancialmente coaxial, con un eje de la región 108 de la muñeca y/o el miembro del usuario. Esto da como resultado un sistema en donde el plano de rotación del pulgar es sustancialmente perpendicular a la muñeca y permite que el conjunto de pulgar se mueva de manera eficiente entre posiciones opuestas y no opuestas. También permite que la línea de acción del pulgar sea aproximadamente colineal con los dedos cuando están opuestos y aproximadamente perpendicular a los dedos cuando no están opuestos. El primer motor 210 es convenientemente un motor CC con escobillas o sin escobillas, pero puede ser cualquier accionamiento eléctrico giratorio adecuado.

Como se ilustra en la Figura 2b, un conjunto 202 de caja de transmisión reductora dispuesto en el chasis 200 base incluye un engranaje 214 impulsor montado en un árbol del primer motor 210 el cual está acoplado mediante una pluralidad de engranajes 216, 218, 220, 222 a un engranaje 224 impulsado. Cada uno de la pluralidad de engranajes está montado de forma giratoria en el chasis 200 base en una relación de engrane con uno de los engranajes adyacentes para proporcionar una relación de reducción deseada entre el engranaje 214 impulsor y el engranaje 224 impulsado. Las relaciones de transmisión en cada paso son opcionalmente de alrededor de 7:1, 4:1 y 12:1 respectivamente, lo cual da como resultado una relación efectiva de alrededor de 350:1 y lo cual a su vez permite una velocidad relativamente rápida y un valor de torque suficiente para que el pulgar gire. Una relación de reducción relativamente alta de más de alrededor de 300:1 y/o un conjunto de engranajes relativamente ineficiente que tiene múltiples pasos pueden “bloquear” efectivamente el pulgar 104 en una posición de rotación deseada alrededor del eje 302 del repartidor contra la marcha atrás indeseable del sistema. Sin embargo, se pueden usar otros tipos de engranajes y disposiciones de engranajes adecuados para lograr una relación de reducción y/o un efecto de bloqueo deseados.

El elemento 222 de engranaje el cual está dispuesto para engranarse con el engranaje 224 impulsado es un engranaje compuesto que tiene una primera y una segunda porciones 221, 223 de engranaje de diferente tamaño. Las porciones de engranaje pueden estar formadas integralmente o fijadas/conectadas para girar juntas alrededor del mismo eje 228. La primera porción 221 de engranaje es relativamente delgada y tiene un radio más grande que la segunda porción 223 de engranaje relativamente gruesa y más pequeña la cual se acopla con el engranaje 224 impulsado. La relación entre las porciones 221, 223 de engranajes primera y segunda es de alrededor de 12:1. La primera porción 221 de engranaje define un ángulo entre sus bordes de alrededor de 70 grados. La segunda porción 223 de engranaje define un ángulo entre sus bordes de alrededor de 100 grados.

El pulgar 104 está configurado para girar entre posiciones opuestas (Figura 2c) y no opuestas (Figura 2d) alrededor de 60-70 grados, convenientemente alrededor de 65 grados. El engranaje 224 impulsado tiene 7 de los 16 dientes de un engranaje completo y la segunda porción 223 de engranaje del elemento 222 de engranaje compuesto tiene 6 de los 20 dientes de un engranaje completo. Como tal, el elemento 222 de engranaje compuesto gira alrededor de su eje 228 alrededor de 65 grados, por lo que no es necesario que sea un engranaje completo y solo se requiere un segmento del engranaje.

Como se ilustra en la Figura 2a, una pista 240 de un potenciómetro lineal se fija debajo de la primera porción 221 de engranaje del elemento 222 de engranaje compuesto y un deslizador/limpiador (no se muestra) del potenciómetro lineal se fija en la parte inferior de la primera porción 221 de engranaje del elemento 222 de engranaje compuesto. El potenciómetro lineal está acoplado de manera eléctrica al controlador para permitir que se detecte una posición de rotación del elemento 222 de engranaje compuesto y, a su vez, del engranaje 224 impulsado, y el pulgar 104 entre posiciones opuestas y no opuestas, con fines de retroalimentación, calibración y control.

Como se ilustra en las Figuras 3a a 3d, el engranaje 224 impulsado es un engranaje segmentado y es convenientemente integral con un elemento 300 de repartidor el cual puede girar alrededor de un eje 302 del repartidor y está soportado sobre un par de cojinetes 324, 326 separados axialmente. El eje 302 del repartidor es sustancialmente paralelo al eje 212 del árbol de transmisión y al eje 228 del engranaje compuesto. El engranaje 224 impulsado puede estar conectado o montado alternativamente en el elemento 300 de repartidor giratorio en lugar de ser una parte integral del mismo. Más alternativamente, el engranaje 224 impulsado puede ser un engranaje completo si se requiere en lugar de un engranaje de segmento.

Extendiéndose a partir del elemento 300 de repartidor hay un árbol 328 oscilante que define un eje 330 de repartidor oscilante orientado sustancialmente perpendicular con respecto al eje 302 del repartidor. El árbol 328 oscilante es integral con el elemento 300 de repartidor para poder rotar con él alrededor del eje 302 del repartidor cuando es accionado por el primer motor 210. Alternativamente, el árbol 328 oscilante puede ser un componente separado fijado al elemento 300 de repartidor para poder rotar con él. Una pluralidad de resortes de disco (por ejemplo, arandelas Belleville) 331 están montados en el árbol 328 oscilante y ubicados entre una región 332 de hombro del elemento 300 de repartidor y una plataforma 334 oscilante montada giratoriamente en el árbol 328 oscilante. Un elemento 336 de retención está montado en la región de extremo libre del árbol 328 oscilante para ser fijado rotacionalmente al mismo, por ejemplo, mediante una disposición de estrías, chaveta, o similar, y para retener axialmente la plataforma 334 oscilante en el árbol 328 oscilante. Las superficies 335, 339 colindantes de la plataforma oscilante y el elemento de retención, respectivamente, tienen un perfil en forma de onda de tal manera que se acoplan correspondientemente. Los resortes 331 de disco empujan la plataforma 334 oscilante hacia el elemento 336 de retención. El elemento 334 de retención está asegurado axialmente al árbol 328 oscilante mediante un perno o similar (no se muestra) el cual se recibe en un orificio 327 roscado del árbol 328.

El elemento 336 de retención incluye un par de orejetas 341,343. Cada orejeta está configurada para acoplar un interruptor 345, 347 correspondiente ubicado en la parte inferior de la plataforma 334 oscilante. Cada interruptor es un microinterruptor, pero podría ser cualquier botón/interruptor adecuado, o un sensor táctil, óptico, magnético o capacitivo, o similar, el cual es adecuado para indicarle a un controlador cuando el pulgar 104 ha sido movido por un usuario hacia cualquier lado del plano de flexión/extensión sobre el eje 330 del árbol oscilante. Alternativamente, el elemento 336 de retención puede ser adecuado para permitir que una corriente pase a través de él y cada interruptor 345, 347 puede ser un contacto eléctrico el cual, cuando se acopla con una correspondiente de las orejetas 341, 343, completa un circuito eléctrico. Más alternativamente, un sensor puede enviar una señal de entrada al controlador. Cada orejeta 341, 343 tiene una superficie de contacto sustancialmente curvada pero cada superficie de contacto podría ser sustancialmente plana o similar.

Cuando se aplica una fuerza de rotación a la plataforma 334 oscilante alrededor del eje 330 del árbol oscilante, el perfil de forma de onda de las superficies 335, 339 colindantes hace que la plataforma 334 oscilante se aleje axialmente del elemento 336 de retención y contra la fuerza de los resortes 331 de disco para comprimir el mismo. Uno de los interruptores es accionado por contacto con uno correspondiente de las orejetas 341, 343 el cual también limita el recorrido giratorio de la plataforma 334 oscilante. Cuando se elimina la fuerza de rotación de la plataforma 334 oscilante, la misma vuelve a su posición predeterminada, como se ilustra en la Figura 3a, de tal modo que existe un espacio entre las orejetas y los interruptores y la plataforma es impulsada axialmente por los resortes 331 de disco para hacer tope con el elemento 336 de retención. Se pueden usar otros mecanismos/disposiciones para empujar la plataforma 334 oscilante hacia una posición predeterminada neutra, tal como resortes de torsión, resortes de reloj o similares montados en el árbol 328 oscilante y acoplables con la plataforma oscilante.

En las Figuras 3e a 3g se ilustra una disposición alternativa para el mecanismo oscilante. El mecanismo oscilante 350 comprende una porción 352 interior y una porción 354 exterior. La porción 352 interior está fija en relación con el elemento 300 de repartidor giratorio y la porción 354 exterior está acoplada de forma pivotante a la porción 352 interior mediante un pasador 356. La porción 354 exterior tiene una cavidad 358 para recibir la porción 352 interior la cual define las superficies 359, 361 internas para permitir y limitar la rotación de la porción 354 exterior alrededor del pasador 356 con respecto a la porción 352 interior. El grado de movimiento de la porción 354 exterior es de alrededor de /- 5 grados. Esto, a su vez, permite que el pulgar 104 el cual está acoplado a la porción 352 exterior, como a través de una plataforma oscilante, se mueva selectivamente a cualquier lado de un plano 365 de flexión/extensión del pulgar 104 alrededor del eje 356 del pasador cuando se aplica una fuerza lateral al pulgar por un usuario. El pasador 356 está dispuesto sustancialmente en el plano 370 de flexión/extensión del pulgar 104 y sustancialmente paralelo al eje 302 del repartidor. Un par de interruptores 366, 368 de contacto están montados en superficies internas opuestas de la cavidad de la porción 354 exterior de tal manera que, cuando el pulgar 104 se mueve lateralmente a cualquier lado del plano 370 de flexión/extensión, uno de los interruptores de contacto se acopla con un correspondiente elemento 367, 369 de contacto dispuesto en la porción 352 interior. Los interruptores podrían ser, alternativamente, botones/interruptores, o sensores táctiles, ópticos, magnéticos o capacitivos, o similares, los cuales son adecuados para indicar a un controlador cuándo el usuario ha movido lateralmente el pulgar 104 a cualquier lado del plano 370 de flexión/extensión alrededor de un eje 356 del pasador. Oportunamente, el pulgar es empujado por uno o más elementos de resorte, por ejemplo, hacia una posición predeterminada en el plano 370 de flexión/extensión del mismo cuando no se le aplica ninguna fuerza lateral. En otras palabras, el mecanismo oscilante del pulgar está configurado para auto centrarse con respecto al plano 370 de flexión/extensión del mismo cuando se libera una fuerza lateral del pulgar. Por ejemplo, se puede proporcionar un seguidor cargado por resorte 372 en la región base de la cavidad 358 de la porción 354 exterior el cual está adaptado para seguir un perfil 374 curvo en la región de extremo de la porción 352 interior de tal modo que el seguidor 372 impulse el porción 354 exterior para volver al plano 370 de flexión/extensión cuando no se aplica ninguna fuerza lateral al pulgar.

El conjunto 104 de pulgar se monta en la plataforma 334 oscilante a través del orificio 380 de fijación y las proyecciones 382.

Como se ilustra en las Figuras 4a a 4d, el conjunto 104 de pulgar incluye una pluralidad de articulaciones las cuales corresponden a las falanges de un pulgar real. Una primera articulación 412 de falange proximal está acoplada de forma pivotante a una base 414 de pivote mediante un primer pasador 413 proximal y está acoplado a un segundo motor 450 mediante una articulación 464 de accionamiento para mover selectivamente la primera articulación 412 de falange proximal entre las posiciones extendida y flexionada a lo largo de un plano de flexión/extensión del pulgar y alrededor del primer pasador 413 proximal. Una articulación 410 de falange distal está acoplada de forma pivotante a la primera articulación 412 de falange proximal a través de un primer pasador 411 distal que les permite girar entre sí. Una segunda articulación 416 de falange proximal está acoplada rotacionalmente en un extremo a la base 414 de pivote por un segundo pasador 415 proximal y en el otro extremo a la articulación 410 de falange distal a través de un segundo pasador 417 distal. En la posición extendida, como se ilustra en la Figura 4a, el segundo pasador 417 distal está ubicado dentro y encima (dirección distal) del primer pasador 411 distal. El primer pasador 413 proximal también está ubicado dentro y encima del segundo pasador 415 proximal. Esta disposición hace que la articulación 410 de la falange distal gire en relación con las articulaciones 412, 416 de la falange proximal al mismo tiempo que gira a lo largo del plano de flexión/extensión alrededor del eje 413 base cuando la primera articulación 412 de falange proximal es impulsada por el segundo motor 450.

El conjunto 104 de pulgar incluye el segundo motor 450 acoplado a través de un segundo conjunto de caja 452 de transmisión de reducción y un actuador 454 lineal a la primera articulación 412 de falange proximal para moverlo selectivamente hacia o lejos de la región 106 de la palma de la mano, es decir, a lo largo del plano de flexión/extensión del pulgar cuando el mismo está en, o entre, posiciones del pulgar opuestas o no opuestas (véanse las Figuras 4b y 4d). El segundo motor 450 es convenientemente un motor de CC con escobillas o sin escobillas, pero puede ser cualquier accionamiento eléctrico giratorio adecuado. El actuador 454 lineal incluye adecuadamente un tornillo 456 de avance que puede rotar selectivamente alrededor de un eje 457 de tornillo de avance por el segundo motor 450 y a través de la segunda caja 452 de transmisión. Una tuerca 458 de tornillo de avance se mueve a lo largo del eje 457 del tornillo de avance mediante la rotación del tornillo 456 de avance y está acoplada con un deslizador 459 de tornillo de avance guiado de manera deslizable por un par de miembros 460 de guía alargados ubicados a cada lado del tornillo 456 de avance. Como se ilustra mejor en la Figura 4b, el deslizador 459 de tornillo de avance incluye un par de orificios pasantes separados, cada uno para recibir uno de los miembros 460 de guía respectivos. Cada región de extremo del deslizador 459 de tornillo de avance está acoplada de forma pivotante a través de un pasador 462 a la articulación 464 de accionamiento la cual, a su vez, está acoplada de forma pivotante aproximadamente a mitad de camino a lo largo de la primera articulación 412 de falange proximal.

El tornillo 456 de avance, la tuerca 458 del tornillo de avance y el deslizador 459 están dispuestos coaxialmente para compartir el eje 457 del tornillo de avance. A la vez que el segundo motor 450 está ubicado debajo del eje 457 del tornillo de avance, también puede estar dispuesto en el eje del tornillo de avance. Convenientemente, el eje 457 del tornillo de avance está orientado sustancialmente perpendicular al eje de la muñeca y sustancialmente paralelo con una trayectoria de la punta de la falange distal durante el movimiento a lo largo del plano de flexión/extensión. Esta disposición proporciona un agarre mejorado en términos de dirección, fuerza y eficiencia.

La primera articulación 412 de falange proximal incluye una superficie de soporte próxima a su extremo distal la cual está orientada sustancialmente perpendicular con respecto a un eje longitudinal de la primera articulación 412 de falange proximal. Un resorte 466 está ubicado entre la superficie de soporte de la primera articulación 412 de falange proximal y una superficie de soporte adicional proporcionada por una región de extremo distal cerrada de la articulación 416 proximal secundaria para empujar el conjunto 104 de pulgar hacia una posición de pulgar abierta (extendida) (como se ilustra en las Figuras 4a y 4b). El resorte 466 puede ser adecuadamente un resorte de extensión de longitud continua, o alternativamente, el pulgar puede ser empujado hacia la posición predeterminada de apertura del pulgar mediante otra disposición que incluya un resorte de torsión, compresión o tensión, o un elemento elástico, o una combinación de los mismos. Por ejemplo, un resorte puede actuar directamente sobre el deslizador 459 del tornillo de avance para obligarlo a seguir la tuerca 458 del tornillo de avance cuando el mismo se traslada en la dirección para extender (abrir) el pulgar. Cuando la tuerca del tornillo de avance se impulsa en la dirección opuesta para flexionar (cerrar) el pulgar, el deslizador es impulsado por la tuerca del tornillo de avance, lo cual comprimiría el resorte.

Cuando se aplica un voltaje al motor 450, se transfiere un torque a través de la caja 452 de transmisión al tornillo 456 de avance la cual transmite una fuerza lineal a la tuerca 458 del tornillo de avance y, a su vez, al deslizador 459 del tornillo de avance. La fuerza lineal, en la dirección de proximal a distal (de izquierda a derecha en la Figura 4a), se transmite a partir del deslizador 459 del tornillo de avance a través de la articulación 464 de accionamiento y la primera articulación 412 de falange proximal a la articulación 410 de falange distal y hace que el pulgar gire alrededor de su eje 413 base hacia la región 106 de la palma a lo largo del plano de extensión/flexión y, a su vez, la articulación 410 de la falange distal para girar hacia adentro, hasta una posición de pulgar cerrado (flexionado) (como se ilustra en las Figuras 4c y 4d). Cuando el segundo motor 450 se impulsa en la dirección opuesta, la tuerca 458 del tornillo de avance se traslada de distal a proximal (de derecha a izquierda en la Figura 4c) y, a su vez, el deslizador 459 del tornillo de avance se mantiene en acoplamiento con la tuerca 458 del tornillo de avance por el elemento 466 de resorte dentro del pulgar empujando al mismo hacia la posición abierta (extendida) del pulgar. Dicha disposición permite que el conjunto 104 de pulgar se pliegue completamente hacia la región 106 de la palma cuando se ejerce una fuerza externa sobre él sin accionar el segundo motor 450 impidiendo así que el conjunto de pulgar, particularmente el conjunto impulsor del mismo, se dañe por golpes/impactos no intencionales. Cuando se elimina la fuerza externa, el conjunto 104 de pulgar es empujado por el resorte 466 hacia atrás hacia la posición de pulgar abierto hasta que el deslizador 459 del tornillo de avance haga tope con la tuerca 458 del tornillo de avance. Un potenciómetro lineal (no se muestra) está acoplado al deslizador 459 del tornillo de avance para permitir que el controlador controle una ubicación del mismo a lo largo del tornillo 456 de avance y, a su vez, una posición del pulgar a lo largo del plano de flexión/extensión, ya sea que el pulgar se mueva por el segundo motor 450 o por una fuerza externa.

Convenientemente, la segunda caja 452 de cambios es una caja de cambios de dos velocidades capaz de cambiar entre un torque bajo, salida de alta velocidad y un torque alto, salida de baja velocidad cuando sea necesario. Solo se requiere un torque alto para la flexión. La extensión está controlada por el resorte y un torque de apertura alto simplemente conduciría a la separación de la tuerca del tornillo de avance y el deslizador. La fuerza de agarre se logra aumentando la fuerza en el pulgar después de que el movimiento de los dedos haya formado el agarre. El aumento del torque en el segundo motor 450 hace que la caja 452 de cambios cambie de marcha y la fuerza de agarre aumenta con el pulgar moviéndose opcionalmente a una velocidad más lenta. El tornillo 456 de avance en el conjunto de pulgar impide que las cargas externas aplicadas al pulgar efectúen un cambio de marcha. El torque motor controla el cambio de torque de salida bajo a torque de salida alto. La caja de cambios permanece en torque alto hasta que todo el torque se elimina del resorte de cambio. La marcha atrás es el resultado de la carga (o fuerza de empuje) que empuja axialmente el tornillo o la tuerca para crear un movimiento giratorio. Todos los tornillos, dependiendo de su eficiencia, retrocederán. El torque resultante se conoce como 'torque de marcha atrás' y es el torque necesario para mantener una carga en posición. La caja de transmisión cambia entre alta y baja velocidad a un torque fijo posterior, generándose el torque posterior en la caja de transmisión resistiendo la rotación del tornillo de avance, cuando se sujeta un elemento. A medida que se suelta un elemento, el torque inverso se reduce a baja velocidad hasta que se alcanza el umbral de torque y la caja de cambios cambia a alta velocidad.

Al utilizar por defecto un sistema de baja fuerza y velocidad relativamente alta, los usuarios tendrán una mano capaz de agarrar objetos con un agarre flexible (la etapa motriz de la secuencia de agarre) antes de que el pulgar actúe para asegurar el agarre. Las Figuras 7a a 7d muestran una gama de agarres diferentes que pueden requerir los usuarios típicos de la mano. En la mayoría de los casos, el deseo de una fuerza de agarre relativamente alta se puede lograr de manera adecuada al tener una sola caja 452 de cambios de dos velocidades para impulsar la flexión y extensión del pulgar. La activación de la fuerza de agarre alta se puede seleccionar en función del agarre, por ejemplo, una fuerza de agarre alta no es apropiada para un agarre de punto o de ratón, pero puede ser deseable para un agarre de poder o de trípode. La salida de torque del pulgar puede mantenerse relativamente baja para impedir un cambio de marcha automático, a la vez que las cargas externas ejercidas sobre el pulgar no obligarán a la caja de cambios a cambiar, ya que no se puede transmitir ningún torque a través del tornillo de avance. Alternativa, o adicionalmente, el cambio de marchas de alta fuerza se puede desactivar/prevenir cuando se cierra la mano para algunos agarres para promover así la seguridad.

Conjunto de dedos

Uno de los conjuntos 500 de dedos de acuerdo con ciertas realizaciones de la presente invención se ilustra en las Figuras 5a a 5d. Un tercer motor 502 está acoplado a un tercer conjunto 504 de caja de transmisión reductora cuya salida está acoplada a un actuador 506 lineal. El motor 502 es convenientemente un motor CC con escobillas o sin escobillas, pero puede ser cualquier accionamiento eléctrico giratorio adecuado. El actuador 506 lineal incluye adecuadamente un tornillo 508 de avance que puede rotar selectivamente alrededor de un eje 510 de tornillo de avance por el motor 502 y a través del conjunto 504 de caja de transmisión. El tornillo 508 de avance está soportado en cada extremo por un cojinete 518 en un chasis 509 de dedos. Una tuerca 512 de tornillo de avance se mueve a lo largo del eje 510 del tornillo de avance mediante la rotación del tornillo 508 de avance y se acopla con un deslizador 514 de tornillo de avance guiado de manera deslizante por un par de miembros 516 de guía alargados ubicados a cada lado del tornillo 508 de avance, y orientados en paralelo con él. El deslizador 514 de tornillo de avance incluye un par de orificios pasantes separados, cada uno para recibir uno respectivo de los miembros 516 de guía. La tuerca 512 de tornillo de avance también puede acoplarse con los miembros 516 de guía. Dicha disposición impide que la tuerca 512 del tornillo de avance y el deslizador 514 del tornillo de avance giren a la vez que el tornillo 508 de avance está siendo accionado en cualquier dirección por el motor 502 a la vez que asegura que permanezcan coaxiales con respecto al eje 510 del tornillo de avance. El uso de un tornillo de avance para convertir la rotación del motor en un movimiento lineal con un paso adecuado, tal como 1 mm o menos, también impide deseablemente la 'marcha atrás', por lo que los dedos se bloquean esencialmente en su posición cuando se conducen a la posición deseada y la potencia del motor es removida. Esto puede ser deseable para ciertos agarres, por ejemplo, un agarre de gancho para levantar artículos tales como una bolsa, o para resistir la fuerza del pulgar, como en un agarre de pellizco. Un sensor 520 de posición está montado junto al tornillo 508 de avance y está configurado para detectar/controlar una posición del deslizador 514 del tornillo de avance y retroalimentar una señal correspondiente al controlador. Convenientemente, el sensor de posición es un potenciómetro lineal para determinar una posición absoluta del deslizador 514 y, a su vez, una posición del conjunto de dedos a lo largo del plano de flexión/extensión. Se utiliza una disposición de sensor Hall para controlar la conmutación del motor y también para medir la velocidad de rotación del mismo, lo que permite determinar el consumo de corriente.

Deseablemente, el motor, la caja de transmisión, el tornillo de avance y la tuerca del tornillo de avance de cada conjunto de dedos comparten todos el mismo eje 510, es decir, están dispuestos coaxialmente entre sí. El motor 502 está convenientemente situado en la región de la palma de la mano, por lo que lleva el centro de gravedad hacia la muñeca en comparación con las manos mecánicas convencionales. Esta disposición proporciona un agarre mejorado de los dedos en términos de dirección, fuerza y eficiencia y, a su vez, permite el uso de un motor relativamente pequeño el cual, a su vez, proporciona una región de la palma más compacta y menos profunda y reduce la fatiga del paciente y las posibles molestias asociadas en vista del peso reducido y el centro de gravedad de la mano más cerca de la muñeca.

El conjunto 500 de dedos incluye una pluralidad de conexiones las cuales corresponden a las falanges de los dedos de un dedo real. Una primera articulación 532 de falange proximal está acoplada de forma pivotante a un chasis 509 de dedo mediante un primer pasador 538 proximal y al deslizador 514 mediante una articulación 550 de nudillo para permitir que la primera articulación 532 de falange proximal gire alrededor del primer pasador 538 proximal a lo largo del plano de flexión/extensión cuando es accionado por el motor 502. Una articulación 530 de falange distal está acoplada de forma pivotante a la región del extremo distal de la primera articulación 532 de falange proximal mediante un primer pasador 534 distal que les permite girar entre sí. Una segunda articulación 540 de falange proximal está acoplado de forma pivotante en una región de extremo proximal al chasis 509 mediante un segundo pasador 542 proximal, el cual está ubicado sobre el primer pasador 538 proximal (visto a partir del lateral en la Figura 5a) y está acoplado de forma pivotante en su región del extremo distal por un segundo pasador 544 distal el cual se encuentra debajo del primer pasador 534 distal. Esta disposición hace que la articulación 530 de falange distal gire con respecto a las articulaciones 532 de falange proximal cuando la misma gira hacia o a partir de la palma de la mano. Esto se debe a que la segunda articulación 540 de falange proximal está fijada al chasis por encima de la primera articulación 532 de falange proximal y, a medida que la articulación de falange proximal gira para mantener la distancia fija, la articulación 530 de falange distal gira hacia adelante debido a la segunda articulación 540 de falange proximal. Esta disposición hace que la punta 531 de la falange distal se mueva a través de un arco fijo cuando el motor 502 gira la primera articulación 532 de la falange proximal. El mecanismo es accionado por la articulación 550 de nudillo el cual está acoplado de manera pivotante mediante un pasador 552 al deslizador 514 del tornillo de avance y acoplado de manera pivotante a la primera articulación 532 de falange proximal mediante un pasador 554 el cual está ubicado sobre el pivote 538 proximal del chasis (visto a partir del lateral en la Figura 5a) y la segunda articulación 540 de falange proximal. Las articulaciones están accionadas por resorte para impulsar el conjunto 500 de dedos hacia una posición de dedos rectos predeterminada (como se ilustra en la Figura 5c). Se puede usar un resorte de extensión de longitud continua o el resorte o resortes pueden ser de torsión, compresión, resorte de tensión, o un elemento elástico, o una combinación.

Cuando se aplica un voltaje al motor 502, se transfiere un torque al conjunto 504 de caja de transmisión y al tornillo 508 de avance el cual transmite una fuerza lineal a la tuerca 512 del tornillo de avance. La fuerza lineal en la dirección a partir de proximal a distal a lo largo del eje 510 del tornillo de avance se transmite a partir de la tuerca 512 del tornillo de avance al deslizador 514 del tornillo de avance el cual, a su vez, transmite fuerza a la articulación 550 de nudillo y hace que la primera articulación 532 de la falange proximal gire alrededor del primer pasador 538 proximal y la segunda articulación 540 de falange proximal para girar alrededor del segundo pasador 542 proximal. La rotación adicional de la primera articulación 532 de falange proximal y la segunda articulación 540 de falange proximal hace que la articulación 530 de falange distal gire hacia una posición cerrada (flexionada) (como se ilustra en la Figura 5d). Cuando el motor 502 es accionado en la dirección opuesta, la tuerca 512 del tornillo de avance se mueve axialmente de distal a proximal a lo largo del eje 510 del tornillo de avance y el deslizador 514 del tornillo de avance es empujado contra la tuerca 512 del tornillo de avance por los elementos de resorte dentro de las articulaciones de los dedos. Dicha disposición permite que uno o más conjuntos 104 de dedos se plieguen completamente de forma independiente hacia la región 106 de la palma de la mano cuando se ejerce una fuerza externa sobre ellos, impidiendo así que uno o más conjuntos de dedos, en particular los conjuntos impulsores de los mismos, se dañen por golpes/impactos no intencionados. Cuando se elimina la fuerza externa, los dedos saltan en una dirección de apertura hasta que el deslizador 514 del tornillo de avance hace tope con la tuerca 512 del tornillo de avance. En vista del potenciómetro 520 lineal acoplado al deslizador 514 de tornillo de avance, el controlador puede rastrear/determinar una posición/orientación de cada conjunto 500 de dedos si un dedo se mueve por el motor 502 o por una fuerza externa.

Cada punta 531 de falange puede incluir un sensor de fuerza, tal como una resistencia sensible a la fuerza (FSR), para mejorar el control en respuesta a una fuerza aplicada en la punta de la falange y habilitar una función de agarre automático confiable a través de la retroalimentación a partir de uno o más de los sensores de fuerza en uso el respuesta al agarre seleccionado, como se describe más adelante.

Conjunto de muñeca

Como se ilustra en las Figuras 6a y 6b, la región 108 de la muñeca de la mano comprende una placa 600 de brazo acoplada al chasis 200 base. El chasis 200 base soporta los conjuntos de dedos y el conjunto de pulgar y la placa 600 de brazo se puede montar en un receptáculo para extremidades. El chasis 200 base está acoplado de forma pivotante a la placa 600 de brazo mediante un conjunto de bisagra que incluye, por ejemplo, un pasador 602 de bisagra que define un eje 604 de bisagra. Un par de orejetas 605, 606 separadas, o similares, se extienden respectivamente a partir de cada uno del chasis 200 base y la placa 600 de brazo con la cual se acopla el pasador 602 de bisagra para acoplar de ese modo pivotante el chasis 200 base y la placa 600 de brazo. Pueden ser adecuadas otras formas de disposición de bisagra, tal como que las orejetas de la placa del brazo tengan cada un pasador integral o proyección que coopere con un orificio o receso correspondiente en una respectiva de las orejetas del chasis base. El eje 604 de bisagra está orientado sustancialmente perpendicular a un eje del radio y cubital del usuario, y también al eje de la muñeca del dispositivo.

Uno o más resortes 607, 608 están montados en el pasador para empujar el chasis 200 base hacia una posición neutral, cuando no se aplica fuerza de rotación al chasis base en uso, en donde un plano del chasis base es sustancialmente paralelo con un plano de la placa del brazo. Como se muestra mejor en la Figura 6b, un par de resortes de torsión están montados axialmente en el pasador 602 de bisagra. La región de extremo de una primera pata de cada resorte está fijada o acoplada al pasador de bisagra para estar limitado rotacionalmente al mismo. Una región de extremo de una segunda pata 609 de cada resorte se acopla con la placa 600 de brazo en un lado respectivo del pasador de bisagra. La segunda pata de cada resorte que comprende la superficie de acoplamiento plana tiene un ángulo de alrededor de 60 grados y tiene una región de extremo curvada similar a un esquí para permitir que se deslice sobre una superficie superior de la placa del brazo cuando el resorte se comprime o se descomprime.

La segunda pata 609 de cada resorte está configurada para funcionar como un resorte de hoja y la porción enrollada está configurada para funcionar como un resorte de torsión en espiral, de tal modo que cada resorte es una combinación híbrida de un resorte de torsión en espiral y un resorte de hoja. La suma de los torques combinados de los dos tipos de resorte proporciona un torque resistente alto, pero también un tamaño particularmente compacto para permitir que la articulación sea relativamente compacta y corta y que el eje de flexión sea más cercano al de una articulación de muñeca natural. Los resortes de torsión también están laminados, es decir, comprenden dos o más capas no conectadas las cuales pueden deslizarse una sobre otra durante el enrollado y desenrollado, para reducir así la tensión en el material, lo cual reduce la fatiga durante la flexión y minimiza/elimina el riesgo de falla del resorte en uso.

Cuando el chasis 200 base se gira en relación con la placa 600 de brazo a cualquier lado sobre el eje 604 del pasador de bisagra cuando se aplica una fuerza de rotación al chasis base, tal como cuando la mano se golpea involuntariamente durante el uso, la parte inferior del chasis 200 base se acopla con una superficie de acoplamiento sustancialmente plana de la segunda pata de uno respectivo de los resortes 607, 608. La rotación adicional del chasis base con respecto a la placa del brazo hace que la porción del resorte de torsión en espiral se apriete alrededor del pasador de la bisagra y que la porción del resorte de hoja se comprima. La combinación de las dos acciones proporciona un torque resistivo. Los torques resistivos de ambos resortes se igualan cuando el chasis 200 base y la placa 600 de brazo están paralelos.

La placa base 200 está adaptada para girar /- alrededor de 30 grados alrededor del eje de la bisagra con respecto al plano neutral plano. Cuando se elimina la fuerza de rotación del chasis base, el resorte comprimido impulsa la placa base de vuelta a la posición neutral con respecto a la placa del brazo. Convenientemente, los dos resortes 607, 608 de torsión en espiral, por ejemplo, resortes de reloj, están configurados de tal manera que uno resiste la flexión y el otro resiste la extensión y están adaptados de tal manera que cuando un resorte se comprime, el otro resorte se desacopla del chasis base y no ofrece resistencia a la compresión del resorte. La única vez que ambos resortes pueden estar 'activos' es /- alrededor de 5 grados a cada lado del plano neutral. Los resortes 607, 608 de reloj están hechos de un acero para resortes enrollado en espiral u otro material adecuado. Otras formas de resorte, tales como resortes de compresión, también pueden ser adecuadas para proporcionar dicho mecanismo de muñeca para permitir que la mano se flexione y se extienda con respecto al brazo del usuario.

Además del mecanismo de flexión pasivo descrito anteriormente, la región 108 de la muñeca incluye además una disposición 650 de bloqueo la cual permite al usuario bloquear la mano 100 en diversas posiciones con respecto al brazo alrededor del eje 604 de la bisagra. Esto es particularmente útil para comer, por ejemplo.

Como se ilustra en las Figuras 6c y 6d, la disposición 650 de bloqueo consta de tres componentes principales; aberturas 652 de bloqueo estáticas, un perno 654 de bloqueo con resorte y un botón 656 de bloqueo. El perno 654 de bloqueo está montado en la parte inferior del chasis 200 base y orientado sustancialmente paralelo al eje 604 de la bisagra del mecanismo de bisagra/flexión de la muñeca. El perno 654 de bloqueo puede deslizarse en una dirección axial entre una posición desbloqueada (Figura 6c) y una posición bloqueada (Figura 6d). Cada una de las orejetas 606 separadas axialmente que se extienden a partir de la placa 600 de brazo en la cual está montado el pasador 602 de bisagra incluye una pluralidad de aberturas 652 de bloqueo estáticas las cuales en el ejemplo que se ilustra son tres muescas curvas separadas en un borde superior de cada orejeta. Alternativamente, cada abertura de bloqueo puede ser un orificio pasante en una de las orejetas correspondientes, una ranura, una muesca cuadrada o similar. Además, también se puede prever una disposición opuesta en donde el perno de bloqueo está montado en la placa del brazo y las aberturas de bloqueo estáticas están proporcionadas por el chasis base. Las aberturas 652 de bloqueo están indexadas para corresponder a ángulos de bloqueo predeterminados de la muñeca con respecto a la cavidad de la extremidad/brazo de un usuario, es decir, una posición de rotación diferente del chasis 200 base con respecto a la placa 600 de brazo sobre el eje 604 de la bisagra.

El perno 654 de bloqueo se puede deslizar en un eje perpendicular al conjunto de aberturas 652 de bloqueo y en general tiene una forma la cual se bloquearía en las aberturas, impidiendo que el chasis 200 base se mueva en rotación con respecto a la placa 600 de brazo alrededor del eje 604 de bisagra. El perno 654 de bloqueo también tiene un par de compuertas 660, 662 separadas axialmente las cuales permiten que las orejetas pasen a través de las compuertas del perno 654 de bloqueo cuando el mismo está en la posición desbloqueada y, a su vez, permite la rotación entre el chasis 200 base y la placa 600 de brazo sobre el pasador 602 de bisagra.

El perno 654 de bloqueo se mueve de la posición desbloqueada a la posición bloqueada, y viceversa, presionando el botón 656 de bloqueo. El perno 654 de bloqueo es empujado hacia el botón 656 de bloqueo pero no está rígidamente conectado al mismo. El botón 654 de bloqueo está acoplado de forma deslizante al chasis 200 base y es empujado lejos del perno 654 de bloqueo por un resorte 658 de compresión hacia una posición de parqueo.

Como se ilustra en las Figuras 6e a 6i, el botón 656 de bloqueo comprende, o está acoplado a, un elemento 657 de pista que comprende una pista 659 para acoplarse con un miembro 661 alargado y elástico, por ejemplo, un resorte de hoja, que tiene un elemento 663 seguidor en una región de extremo libre del mismo el cual sigue la pista del elemento 657 de pista. El elemento 657 de pista se acopla de manera deslizante al perno de bloqueo y una región de extremo del miembro 661 elástico distal al elemento 663 seguidor se fija con respecto al chasis 200 base.

El botón 656 de bloqueo y el elemento 657 de pista alternan entre dos posiciones correspondientes a las posiciones bloqueada y desbloqueada del perno 654 de bloqueo al ser presionados por un usuario. Como se ilustra en las Figuras 6e a 6i, la posición del elemento 657 de pista es controlada por el resorte 661 de hoja. Se permite que el resorte 661 de hoja se flexione en una dirección aproximadamente perpendicular al eje de desplazamiento del botón 656 de bloqueo. El elemento 657 de pista tiene dos posiciones estables; bloqueado y desbloqueado.

A partir de la posición estable bloqueada (Figura 6e), se presiona el botón, lo que hace que el elemento 663 seguidor del resorte 661 de hoja se deslice hacia arriba por un camino de desbloqueo de la pista y se doble fuera del eje central (Figura 6f). En la parte superior de la ruta de desbloqueo hay un bolsillo en el cual salta el resorte de hoja, cuando el resorte 658 de compresión suelta el botón y lo empuja lejos del perno de bloqueo, el elemento seguidor del resorte de hoja es capturado por una superficie 665 de tope de la pista a medida que el resorte de hoja se endereza (Figura 6g). El perno 654 de bloqueo está ahora en la posición desbloqueada y el elemento 657 de pista está en una posición desbloqueada correspondiente. Si se vuelve a presionar el botón de bloqueo, el elemento 663 seguidor del resorte 661 de hoja se acopla a una superficie en ángulo de la pista y es empujado hacia una depresión adicional en la pista (Figura 6h) definida por una ruta de desbloqueo adicional de la pista. Cuando se vuelve a soltar el botón de bloqueo, el resorte de hoja es empujado hacia abajo por la ruta de bloqueo adicional de la pista para volver a la posición de bloqueo (Figura 6i).

En la posición desbloqueada, el botón 656 de bloqueo mantiene las compuertas 660, 662 de perno de bloqueo alineadas con el borde de las orejetas 606 y las aberturas 652 de bloqueo, lo que permite la rotación libre de la mano con respecto al brazo alrededor del eje 602 de bisagra. Cuando el botón 656 de bloqueo está en la posición bloqueada, el resorte del perno de bloqueo fuerza a la porción de bloqueo del perno de bloqueo a interactuar con un par de aberturas de bloqueo. Si las aberturas de bloqueo no están perfectamente alineadas en el punto en donde el botón de bloqueo se mueve a la posición de bloqueo, el perno de bloqueo se accionará por resorte y caerá en la siguiente abertura disponible cuando se flexione la muñeca.

La disposición de bloqueo 'empujar-empujar' permite a un usuario con una o dos prótesis de manos seleccionar/ajustar y bloquear de manera eficiente una posición de rotación de la mano en relación con el miembro y con respecto al eje de flexión de la muñeca, y también liberar una posición de rotación bloqueada para permitir la flexión de la muñeca en cualquier dirección sobre el eje de la bisagra de flexión de la muñeca. La disposición de bloqueo también está configurada para saltar a la siguiente posición de bloqueo disponible si el perno de bloqueo no está alineado con un par de aberturas de bloqueo cuando está en la posición de bloqueo, lo que significa que la mano no necesita estar perfectamente alineada para enganchar el bloqueo.

Una disposición de bloqueo alternativa puede ser que el botón de bloqueo esté rígidamente acoplado al perno de bloqueo para deslizarse con él entre las posiciones bloqueada y desbloqueada y empujado por un resorte hacia la posición bloqueada. Sin embargo, una disposición de este tipo requeriría que el usuario mantuviera presionado el botón con una mano hábil durante la rotación de la prótesis de mano con respecto al miembro de cuenca/brazo.

Sistema de control

La prótesis 100 de mano de acuerdo con ciertas realizaciones de la presente invención tiene seis actuadores (uno respectivamente para flexionar y extender cada uno de los cuatro dedos, uno para flexionar y extender el pulgar y otro para rotar el pulgar entre posiciones opuestas y no opuestas) las cuales se accionan selectivamente en un número de diferentes configuraciones para ofrecer una amplia gama de agarres deseables, una selección de los cuales se ilustra en las Figuras 7a a 7d. La Figura 7a ilustra un agarre de trípode en donde el pulgar está en una posición opuesta y está parcialmente cerrado para agarrar un objeto, y el índice y el segundo dedo están parcialmente cerrados para agarrar el objeto, y el tercer y cuarto dedo están completamente cerrados. Si no se agarra nada, las puntas de los dedos índice, medio y pulgar deben converger y detenerse. La Figura 7b ilustra un agarre de poder en donde todos los dedos están completamente cerrados seguidos por el pulgar en una posición opuesta cerrada. La Figura 7c ilustra un agarre de gancho en donde todos los dedos están parcialmente cerrados y el pulgar está en la posición extendida, no opuesta. La Figura 7d ilustra un agarre de punta en donde los dedos segundo, tercero y cuarto están cerrados, el dedo índice está extendido y el pulgar está flexionado, sin oposición.

El sistema de control se puede dividir en cuatro áreas; Configuración de Modo, Selección de Agarre, Control de Agarre y Control de Dedos.

Configuración de modo

La configuración de modo se refiere a las variables definidas principalmente por el médico para personalizar el dispositivo de acuerdo con las necesidades clínicas y funcionales de los usuarios. Estos pueden ser el tipo de entradas, la amplificación de las señales de entrada y los niveles de umbral en los cuales los dedos del dispositivo comienzan a moverse. Es posible personalizar completamente qué agarres se seleccionan de una entrada en particular. Además de la configuración del médico, el dispositivo tiene dos modos principales de operación; dinámico y enganchado, los cuales tienen sus ventajas.

Cuando está en modo dinámico, el pulgar se parquea en una posición abierta, a mitad de camino entre posiciones opuestas y no opuestas, y el usuario puede alternar automáticamente entre agarres opuestos y no opuestos (por ejemplo, entre los agarres opuestos de las Figuras 7a y 7b y los agarres no opuestos de Figuras 7c y 7d) solo con controles myo, por ejemplo, con un ciclo abierto/abierto cuando la mano está en la posición abierta, pero esto podría realizarse igualmente con sistemas de control externos tales como el reconocimiento de patrones. La operación dinámica brinda al usuario la capacidad de alternar entre agarres opuestos y sin oposición utilizando solo señales myo eléctricas. Esto puede resultar ventajoso para un usuario con movilidad reducida o que utilice dos prótesis de manos.

Cuando está en modo enganchado, el pulgar se parquea en abierto sin oposición o abierto opuesto y el usuario realiza un ciclo abierto/abierto a través de los controles myo cíclicos entre una pluralidad de agarres los cuales comparten la misma posición de inicio (parqueada) de rotación del pulgar. El pulgar se puede girar con el interruptor oscilante el cual, a su vez, activa el motor de rotación del pulgar, por ejemplo, toque a la izquierda, el pulgar se mueve a la izquierda, toque a la derecha y el pulgar se mueve a la derecha para estar así en una posición de parqueo deseada para que el usuario seleccione una pluralidad de agarres correspondientes. Alternativamente, un usuario podría usar la señal de co-contracción, 2 veces señales myo simultáneas, para activar el motor de rotación del pulgar. La operación cerrada da acceso a una gama relativamente amplia de agarres, pero requiere una entrada adicional del usuario además de las señales myo eléctricas.

El usuario puede conmutar entre el modo dinámico y el modo bloqueado mediante una entrada adicional, además de usar señales myo, de una manera no compleja, eficiente e intuitiva. Por ejemplo, el usuario puede presionar los FSR de los cuatro dedos simultáneamente o activar el interruptor oscilante del pulgar dos veces en un período de tiempo determinado aplicando una fuerza lateral al conjunto de pulgar, ya sea con una extremidad capaz o golpeando el pulgar sobre una superficie. Como tal, el usuario puede cambiar entre el modo dinámico y bloqueado, si es necesario, con una entrada no compleja, eficiente e intuitiva.

Hay una serie de agarres predeterminados diferentes, como los que se ilustran en las Figuras 7a a 7d, y por lo tanto posiciones predeterminadas de los dedos 102 y el pulgar 104, almacenadas en una memoria del controlador. Estos agarres diferentes pueden ser agarres predeterminados de 'fábrica' previamente almacenados en la memoria durante la fabricación y calibración de la mano antes de la venta, y/o agarres personalizados configurados por el usuario para una preferencia o requisito particular. Todas estas definiciones de agarre, junto con otras configuraciones del médico, forman la variable global de configuración de modo y se utilizan durante la selección de agarre y el control de agarre y dedos.

La configuración de modo también dicta la operación de 'encendido' de la mano en términos de inicialización en una posición predeterminada o continuación a partir del último estado utilizado, como se muestra en la Figura 8. La mano no requiere calibración inicial, por lo que se podría usar cualquier posición inicial para los dedos y, opcionalmente, los dedos podrían permanecer en las posiciones actuales.

Selección de agarre

La selección de agarre se realiza principalmente ciclando a través de una lista predeterminada de agarre utilizando una entrada conocida. La entrada preferida es la señal myo de ciclo abierto/abierto cuando la mano está abierta, la cual alternará entre al menos dos agarres predeterminados. Se trata de un compromiso entre la accesibilidad y la facilidad de uso. Cuanto más larga sea la lista, más tendrá que recordar el usuario y más lento será acceder a un agarre en particular.

La Figura 9 ilustra un proceso utilizado para cambiar un agarre. Se requiere que el usuario emita una señal de activación de selección de agarre para diferenciarlo de las señales normales de apertura y cierre que normalmente se usan para manipular la mano. El activador de selección de agarre podría ser: mantener abierto, abrir-abrir, cocontracción, RFID, entrada/interruptor integrado, interruptor externo o reconocimiento de patrones. Después de que el usuario haya iniciado la activación de selección de agarre inicial, se pueden enviar señales adicionales para seleccionar un agarre particular.

Como se describió anteriormente, la prótesis 100 de mano tiene dos modos de operación los cuales controlan cómo la mano proporciona el agarre deseado a partir de una posición inicial 'parqueada'; un modo 'bloqueado' y un modo 'dinámico'.

Cuando la mano está en el modo de operación 'bloqueado' y la mano (pulgar y dedos) está abierta, la mano se parqueará en una de una pluralidad de configuraciones predeterminadas de parqueo 'bloqueado', cada una de las cuales corresponde a agarres los cuales comparten una posición de inicio del pulgar opuesta extendida o posición no opuesta extendida. Por ejemplo, los agarres de 'trípode' (Figura 7a) y 'poder' (Figura 7b) comparten una posición de pulgar inicial opuesta extendida común, a la vez que los agarres de 'gancho' (Figura 7c) y 'señalar con el dedo' (Figura 7d) comparten una posición extendida común del pulgar de inicio no opuesta. Cuando el controlador recibe una señal de 'cierre' del usuario, el primer motor 210 permanecerá estático y solo el segundo motor 450 se acciona para mover el pulgar 104 a lo largo del plano de flexión/extensión junto con los dedos para lograr el agarre deseado. Una señal myo 'abierta' invertirá el proceso y devolverá los dedos a la posición extendida.

Cuando está en la posición de parqueo 'bloqueada', el pulgar 104 se puede mover de no opuesto a opuesto o viceversa moviendo lateralmente el pulgar 104 alrededor del eje 370 oscilante para activar uno de los interruptores 345, 347 oscilantes y accionar el primer motor 210 en consecuencia. Por ejemplo, si el pulgar 104 se golpea lateralmente hacia la izquierda o hacia la derecha, el pulgar 10 se moverá a la posición alternativa del pulgar. En el ejemplo actual hay dos posiciones para el pulgar, pero se prevé que podrían ser posibles numerosas posiciones.

Cuando la mano está en el modo de operación 'dinámico' y la mano está abierta, el conjunto 104 de pulgar está parqueado en una posición, convenientemente a mitad de camino, entre la posición opuesta y la posición no opuesta, es decir, en una posición entre los dos límites de rotación del pulgar sobre el eje 322 del repartidor. Cuando está en la posición 'dinámica' de parqueo, el pulgar 104 también está en una posición extendida a lo largo del plano de flexión/extensión del pulgar. Cuando el controlador recibe una señal de agarre 'cerrada' del usuario a través de sensores de electrodos en la cavidad de la extremidad, tanto el primer motor 210 como el segundo motor 450 funcionan simultáneamente para mover el pulgar 104 rotacionalmente alrededor del eje 322 del repartidor y a lo largo del plano de flexión/extensión a una posición deseada seleccionada por el usuario (como se describe más adelante). Una señal 'abierta' correspondiente recibida por el controlador invierte el proceso de actuación dual para mover el pulgar 104 de vuelta a la posición 'parqueada' dinámica.

Cuando el pulgar 104 está alejado de su posición de parqueo extendida, es decir, en un límite de su movimiento de rotación sobre el eje 322 del repartidor y no extendido, una señal de 'abrir' solo abrirá la mano (extensión de los dedos y el pulgar) y cualquier movimiento lateral en el pulgar 104 se bloquea mecánicamente o se ignora de manera eléctrica para impedir que se activen los interruptores 345, 347 oscilantes y que el pulgar 104 se mueva de otra manera a partir de la posición opuesta o no opuesta.

Además de las señales eléctricas MYO y los interruptores oscilantes laterales en el pulgar, otro método de operar la mano 100 permite a los usuarios utilizar una gama completa de agarres usando una secuencia de instrucciones relativamente corta. También requiere un esfuerzo cognitivo mínimo para controlar la mano, particularmente con respecto a poder ubicar los agarres a los que se accede con poca frecuencia.

Este método de control usa los dedos y el pulgar 102, 104 como interruptores/entradas para habilitar la selección de agarre. La mano puede configurarse para usar las resistencias sensibles a la fuerza en las puntas de los dedos como botones de radio. Por ejemplo, empujar los cuatro dedos sobre una superficie durante un segundo podría usarse como entrada para mover la mano directamente a un agarre de punta de dedo.

Alternativa, o adicionalmente, los dedos y el pulgar 102, 104 pueden considerarse como interruptores de tres vías, con los estados del dedo o el pulgar rectos, parcialmente flexionados o completamente cerrados, o entradas analógicas moviéndolos manualmente. Como se describió anteriormente, tanto los dedos como el pulgar pueden flexionarse pasivamente a partir de una posición abierta a una posición cerrada, a la vez que el potenciómetro lineal respectivo puede leer la posición del dedo independientemente de si el motor respectivo está accionado. Se prevé que esto podría ser para un ajuste clínico simplificado, pero la mano también podría configurarse para usar esta función para la selección de agarre.

La mano incluye convenientemente una pantalla, por ejemplo, una pantalla táctil, en la superficie dorsal de la mano. En el ejemplo actual, se trata de una pantalla de papel electrónico, pero podría ser igualmente una pantalla LCD, u OLED. La pantalla se puede configurar para mostrar al usuario en qué modo se encuentra e incluso para cambiar el orden de los agarres. También se prevé que la pantalla pueda apagarse cuando el usuario adquiera destreza y ya no necesite la confirmación de agarre.

Las variables globales de configuración de modo y las variables de selección de agarre se utilizan para seleccionar el agarre correcto. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 9, los parámetros de dedos predeterminados (posición requerida, velocidad, límite de corriente, y fuerza máxima) son cargados, y ejecutados por el controlador cuando se recibe una señal de cierre del usuario.

Control de agarre

Un agarre puede estar representado por una secuencia de instrucciones, esencialmente una lista de puntos de referencia que dictan el movimiento de la mano en respuesta a una señal de electromiografía (EMG), que continuará automáticamente siempre que se aplique una señal o se requiera una señal adicional necesaria para pasar a la siguiente etapa de la secuencia.

La velocidad de cierre requerida se determina a partir de la amplitud de la señal del myo-electrodo proporcionada por el usuario. El controlador de agarre instruye a cada dedo para que se mueva a la posición requerida para el primer paso del agarre. Una vez que se cumplen las condiciones requeridas, el controlador de agarre solicita variables de retroalimentación de cada uno de los dedos e inicia la siguiente etapa del agarre en respuesta a esta retroalimentación. Algunos agarres requieren que algunos dedos permanezcan estáticos hasta que otro dedo haya alcanzado una posición particular, esto es manejado por el controlador de agarre y las instrucciones emitidas a la Lógica de Control de Dedos.

Este proceso se repite hasta que se completa el agarre o se elimina la señal de cierre.

La Figura 8 ilustra el proceso de inicialización en el arranque del sistema. En todo momento, la mano tendrá un agarre seleccionado que se realizará con las señales myo de apertura/cierre adecuadas. En el inicio, puede ser un patrón de agarre predeterminado de fábrica o seleccionado por el usuario/último patrón de agarre almacenado en una memoria no volátil. Asociado con cada agarre hay una posición de parqueo para cada dedo y estos, junto con la información de secuencia sobre los movimientos de los dedos para lograr el agarre, también se cargarán. También se carga información adicional sobre el límite de corriente del motor (relacionado con el torque motor y, por lo tanto, la fuerza de agarre), las velocidades máximas de los dedos, la fuerza máxima y el agarre automático (descrito a continuación con referencia a la Figura 13). Para algunos agarres, el torque motor del pulgar puede tomar dos valores; un límite más bajo para garantizar que la caja de transmisión del pulgar permanezca fuera del engranaje de torque alto o la porción motriz del agarre y luego cambiar a un valor más alto cuando se deba ejercer una fuerza adicional. Alternativamente, puede tomar un solo valor, tal como un valor arbitrariamente bajo para el apretón de manos, o tanto como el hardware eléctrico pueda ofrecer para un agarre de poder donde no es necesario retrasar el cambio de marcha. Las posiciones de los dedos (flexión 5x y rotación 1x) se pueden leer directamente a partir de los potenciómetros lineales.

Si la mano no está en una posición compatible con el agarre cargado, debe esperar una señal de apertura para devolverla a la posición de parqueo/arranque. Alternativamente, se puede considerar que la mano está en una posición intermedia en la secuencia y puede responder tanto a las señales de apertura como de cierre del usuario.

En circunstancias normales, la secuencia de agarre está configurada adecuadamente de tal modo que los dedos se muevan sin impedimentos hasta que se colocan en una posición en donde pueden ejercer fuerza sobre otros dedos o sobre un objeto que se está sujetando. Cuando el agarre se abre, se puede secuenciar para que los dedos no choquen e impidan que la mano se abra.

Control de dedo

Cualquier combinación de dedos individuales puede ser necesaria para moverse para satisfacer un criterio de control. Para terminar automáticamente el movimiento del dedo, se deberá cumplir uno de los tres criterios:

• Posición objetivo alcanzada

• Se ha alcanzado el límite de corriente eléctrica

• Carga en la punta de los dedos lograda

Los dedos (dedos y pulgar) también se detendrán en respuesta a que el usuario elimine la señal. Los datos adicionales específicos de la etapa pueden incluir:

• Velocidad objetivo, normalmente un valor escalar del máximo, que se utiliza para permitir un mayor control del usuario en los agarres de precisión

• Si se ha alcanzado el límite de corriente eléctrica para los dedos, ¿debe aplicarse la etapa de fuerza de agarre alta de administración de energía?

• ¿Se debe aplicar una mayor fuerza en el pulgar en esta etapa?

• ¿Se requiere mantenimiento de agarre?

• ¿Pasar automáticamente a la siguiente etapa?

Cuando el usuario indica un cambio en el agarre, se cargan todos los datos de control asociados.

La Figura 10 ilustra una representación esquemática de la lógica de control de dedos. Para cualquier agarre dado, la posición objetivo, el límite actual, y el límite de fuerza de agarre se cargan a partir de la definición de agarre almacenada. La velocidad requerida se determina a partir de la secuencia de movimiento requerida para completar el agarre y también puede ser una función de la amplitud de la señal myo proporcionada por el usuario. La velocidad del motor se determina a partir del sensor Hall de los motores, lo que proporciona una resolución más fina que el potenciómetro lineal. Si el motor requiere frenado, esto se puede lograr de manera electrónica mediante la conexión cruzada de los terminales. La velocidad requerida se ajusta de acuerdo con las posiciones relativas de los dedos, sincronizando el movimiento de los dedos, comunicándose con módulos que controlan los otros dedos. Cuando el movimiento del dedo satisfaga uno de los criterios de salida, se detendrá. Si el dedo es el pulgar, entonces esta fase de control del dedo puede repetirse con un límite de corriente eléctrica relativamente alto, forzando a la caja 452 de cambios a cambiar de marcha y permitir que la fuerza de agarre aumente significativamente. El control motor preciso requerido para mover la mano con precisión se facilita mediante el uso combinado de los tres parámetros; la posición del dedo (medida a partir del potenciómetro lineal), la velocidad del motor (medida a partir del sensor Hall) y la fuerza de la punta del dedo (medida a partir del FSR).

Este proceso funcionaría para todo el agarre si todos los dedos se movieran al mismo tiempo. Diversos agarres requieren el uso de etapas intermedias, tal como el poder donde los dedos se cerrarán antes de que el pulgar se mueva hacia adentro. En dichos casos, el proceso debe repetirse para cada una de las etapas individuales, como se muestra esquemáticamente en la Figura l l .

Los motores normalmente consumen su corriente eléctrica más baja cuando funcionan más rápido. La velocidad sin carga de un motor es la velocidad más alta a la que funcionará, pero a medida que aumenta la carga en el motor en forma de torque resistivo en la línea de transmisión, la velocidad de rotación se reduce y el consumo de corriente aumenta. En realidad, esto significa que la fuerza de agarre aumenta a medida que disminuye la velocidad del actuador, hasta el punto de que los motores se paran. En esta condición, el motor consumiría su corriente más alta requerida, o corriente de parada. Si todos los motores están funcionando simultáneamente cerca de su corriente de bloqueo, es probable que esta sea más alta de lo que puede proporcionar el sistema de batería el cual normalmente se encuentra dentro de la órbita de la extremidad. La corriente de bloqueo de los motores propuestos es de aproximadamente 2.7A y el sistema es capaz de entregar un máximo de 5A, pero puede ser deseable limitar el consumo a alrededor de 3.5A en una operación típica. El funcionamiento normal de los motores debe reducirse antes de que se alcance la corriente de bloqueo, y este umbral dependerá de la demanda de todos los dedos que funcionan simultáneamente, es decir, el límite de corriente en la Figura 10 no es simplemente una constante predefinida. Cuando los dedos se mueven libremente, la corriente es baja para que todos los dedos puedan moverse simultáneamente, cuando el consumo total de corriente es lo suficientemente alto como para que los dedos no estén funcionando simultáneamente, entonces los dedos habrán dejado de moverse significativamente y el efecto visible del intercalado de los movimientos (como se ilustra en la Figura 12) está esencialmente enmascarado para el usuario. La Figura 12 ilustra una secuencia de pulsos que permitiría que todos los dedos proporcionen su máxima fuerza de agarre.

Al monitorizar la velocidad a la cual aumenta el consumo de corriente eléctrica antes de que se alcance el límite de corriente, puede ser posible determinar la rigidez del objeto que se agarra. Para objetos suficientemente blandos, puede ser beneficioso ejecutar dos o tres dedos simultáneamente, nuevamente pasando por una secuencia para asegurar que todos los dedos intentarán moverse en la misma cantidad.

Este proceso solo es relevante en el cierre de dedos. No se pueden transmitir grandes fuerzas al actuador al abrirse, ya que la tuerca del tornillo de avance y el deslizador simplemente se separarán, como se describió anteriormente al detallar cada conjunto 102 de dedo. Si la velocidad de la tuerca del tornillo de avance, determinada por el movimiento en el potenciómetro, y la frecuencia del pulso del sensor Hall difieren, entonces es probable que se haya producido esta separación, y se podría usar un límite de corriente eléctrica más bajo para impedir que la tuerca del tornillo de avance se mueva demasiado firme contra un tope muerto.

El control del actuador se implementa en una FPGA (Matriz de Compuertas Programables en Campo) la cual controla el accionamiento de los motores, mide la velocidad del motor, la posición del motor a partir del potenciómetro lineal, y la fuerza del dedo a partir de la FSR (Resistencia Sensible a la Fuerza) ubicada en la punta de cada dedo. La ventaja de este sistema es que se pueden generar diversas instancias del mismo circuito de control para que se ejecuten en paralelo en un dispositivo. Debido a que el sistema de control se genera en puertas lógicas en lugar de líneas de código que se ejecutan en un algoritmo de software, la respuesta a los cambios en la fuerza y la velocidad puede ser mucho más rápida.

Se proporciona una función opcional de agarre automático como una característica seleccionable por el usuario y se implementa de manera adecuada por agarre. Se considera que se ha logrado un agarre cuando todos los dedos han terminado su movimiento debido a que se cumplen los criterios en términos de posición, fuerza de punta o límite de corriente del motor. La función de agarre automático es efectivamente una operación por dedo, y la acción depende en gran medida de las razones para detener el movimiento del dedo. Cualquier dedo que detuvo su recorrido debido a que alcanzó su posición objetivo permanecerá en su lugar debido a la naturaleza de la tuerca del tornillo de avance que impide la marcha atrás o el deslizamiento en el sistema. Es posible que no se mantenga la carga, ya que cualquier reducción en la fuerza solo podría contrarrestarse moviendo el dedo más allí de su ubicación terminal. Para los dedos que se detienen debido al límite de corriente del motor o al satisfacer la carga deseada en la punta de los dedos, entonces el dedo puede entrar en un ciclo de mantenimiento de agarre automático, como se describe en la Figura 13. Luego se monitoriza la carga de la punta de los dedos y, si la carga cae, se activan los motores apropiados para intentar restablecer la fuerza de la punta.

Cuando la función de agarre automático está deshabilitada, la potencia del dedo cesa cuando se han cumplido los objetivos de límite de corriente, fuerza de la punta del dedo, posición o límite de tiempo. Con el agarre automático habilitado, la potencia a los dedos se continúa opcionalmente para garantizar que se mantenga una fuerza de agarre constante, como se muestra en la Figura 13.

Ciertas realizaciones de la presente invención, por lo tanto, proporcionan una prótesis de mano que tiene una funcionalidad y un funcionamiento mejorados. La mano es relativamente rápida y fácil de operar, particularmente en términos de seleccionar un agarre deseado a partir de una diversidad de diferentes agarres seleccionables. La mano está configurada para maximizar el número de diferentes configuraciones de agarre seleccionables y es precisa, consistente, no compleja, y relativamente rápida de calibrar. La mano es capaz de producir fuerzas de agarre similares a las de un dispositivo terminal 'myo' controlado de manera eléctrica, a la vez que conserva la destreza y el agarre flexible de una mano multiarticulada. La prótesis de mano tiene un dedo relativamente compacto y/o un dispositivo de accionamiento del pulgar, y una región de la palma relativamente delgada/superficial que incluye un actuador relativamente potente montado en ella y relativamente cerca de la muñeca para asegurar de ese modo que el centro de gravedad del dispositivo esté relativamente cerca del cuerpo del usuario y se reduce la fatiga del paciente. También se proporciona un método de operar una prótesis de mano para seleccionar un agarre deseado a partir de una diversidad de configuraciones de agarre diferentes para que la prótesis de mano lo adopte para una aplicación particular. Si bien se ha descrito una prótesis de mano en todo momento, ciertas realizaciones de la presente invención son aplicables a otros dispositivos terminales protésicos, tales como una prótesis de pie o un dispositivo robótico.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una parte (500) protésica o robótica, que comprende:

al menos un miembro (532) de falange acoplado de forma pivotante a una base en un eje (538) de pivote; y un conjunto (502, 504, 506) de accionamiento para mover selectivamente el miembro de falange alrededor del eje de pivote a lo largo de un plano de flexión/extensión entre una posición abierta y una posición cerrada, caracterizada porque dicho conjunto de accionamiento comprende:

un tornillo (508) de avance que puede rotar selectivamente alrededor de un eje (510) de tornillo de avance mediante un motor (502);

una tuerca (512) de tornillo de avance montada en el tornillo de avance; y

un deslizador (514) de tornillos de avance acoplado al miembro de falange y empujado contra la tuerca de tornillo de avance por al menos un resorte que empuja al miembro de falange hacia la posición abierta;

en donde, en respuesta a que el tornillo (508) de avance sea girado en una primera dirección de rotación alrededor del eje del tornillo de avance, la tuerca (512) del tornillo de avance se mueve en una primera dirección de traslación con respecto al eje del tornillo de avance para empujar el deslizador (514) del tornillo de avance en la primera dirección de traslación y gira el miembro de falange alrededor del eje de pivote hacia la posición cerrada;

y en donde, en respuesta a que el tornillo (508) de avance sea girado en una segunda dirección de rotación alrededor del eje del tornillo de avance, la tuerca (512) del tornillo de avance se mueve en una segunda dirección de traslación con respecto al eje del tornillo de avance y el al menos un resorte empuja el deslizador (514) del tornillo de avance para seguir la tuerca del tornillo de avance en la segunda dirección de traslación y gira el miembro de falange alrededor del eje de pivote hacia la posición abierta;

y en donde, en respuesta a que el miembro de falange hace que se gire alrededor del eje de pivote hacia la posición cerrada por una fuerza externa, el deslizador (514) del tornillo de avance se mueve en la primera dirección de traslación y se aleja de la tuerca (512) del tornillo de avance.

2. La parte de acuerdo con la reivindicación 1, en donde al menos el deslizador (514) del tornillo de avance está restringido de manera giratoria y guiado en traslación con respecto al eje del tornillo de avance por al menos un miembro (516) de guía.

3. La parte de acuerdo con la reivindicación 2, en donde el al menos un miembro (516) de guía comprende un par de miembros de guía alargados ubicados a cada lado de, y orientados en paralelo con el tornillo (508) de avance y el deslizador (514) del tornillo de avance comprende un par de orificios pasantes separados para recibir uno respectivo de los miembros de guía.

4. La parte de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un sensor (520) para determinar una posición del deslizador del tornillo de avance y, a su vez, una posición de rotación del miembro de falange alrededor del eje de pivote.

5. La parte de acuerdo con la reivindicación 4, en donde el sensor (520) comprende un potenciómetro lineal.

6. La parte de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el conjunto de accionamiento comprende un conjunto (504) de engranajes de dos velocidades acoplado entre el motor (502) y el tornillo (508) de avance y conmutable entre un torque bajo, salida de alta velocidad y un torque alto, salida de baja velocidad.

7. La parte de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el tornillo (508) de avance, la tuerca (512) del tornillo de avance y el deslizador (514) del tornillo de avance están dispuestos coaxialmente entre sí para compartir un eje central común.

8. La parte de acuerdo con la reivindicación 7, en donde el eje central común es sustancialmente coaxial con un eje longitudinal del miembro de falange cuando está en una posición abierta extendida con respecto a la base.

9. La parte de acuerdo con la reivindicación 8, en donde el eje central común es sustancialmente paralelo con una trayectoria de una región del extremo distal del miembro de falange cuando se mueve a lo largo del plano de flexión/extensión.

10. Una mano (100) mecánica que comprende al menos una parte de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9.

11. La mano mecánica de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende:

una pluralidad de conjuntos (102) de dedos comprendiendo cada uno al menos una parte que tiene al menos un miembro de falange de dedo que se puede mover selectivamente mediante un conjunto de accionamiento de dedo respectivo de la parte alrededor de un eje de pivote de dedo a lo largo de un plano de flexión/extensión de dedo y entre una posición abierta de dedo y una posición cerrada de dedo; y

un conjunto (104) de pulgar que comprende al menos una parte que tiene al menos un miembro de falange del pulgar que se puede mover selectivamente mediante un conjunto de accionamiento del pulgar de la parte alrededor de un eje de pivote del pulgar a lo largo de un plano de flexión/extensión del pulgar y entre una posición abierta del pulgar y una posición cerrada del pulgar;

en donde el tornillo de avance, la tuerca del tornillo de avance y el deslizador del tornillo de avance de cada conjunto de accionamiento están dispuestos coaxialmente entre sí para compartir un eje central común del conjunto de dedos respectivo o conjunto de pulgar cuando están en la posición abierta de dedo o posición abierta de pulgar.

12. La mano de acuerdo con la reivindicación 11, en donde el eje central común de cada conjunto de accionamiento de dedo es sustancialmente coaxial con un eje longitudinal del miembro de falange de dedo cuando está en la posición abierta.

13. La mano de acuerdo con la reivindicación 11, en donde el eje central común del conjunto de accionamiento del pulgar es sustancialmente paralelo con una trayectoria de una región del extremo distal del miembro de falange del pulgar cuando se mueve a lo largo del plano de flexión/extensión del pulgar.

14. La mano de acuerdo con la reivindicación 11, en donde el eje central común del conjunto de accionamiento del pulgar es sustancialmente perpendicular al eje de la muñeca de la mano.

15. La mano de acuerdo con la reivindicación 14, en donde el conjunto (104) de pulgar puede rotar selectivamente alrededor de un eje de rotación del pulgar entre una posición opuesta y una posición no opuesta con respecto a los conjuntos de dedo.