RO138000A0

RO138000A0 - Walking assistive system

Info

Publication number: RO138000A0
Application number: ROA202300161A
Authority: RO
Inventors: Marius Gheorghe Hăgan; Cristian Aghion
Original assignee: Innova Motion Sensors S.R.L.
Priority date: 2023-04-03
Filing date: 2023-04-03
Publication date: 2024-03-29

Abstract

The invention relates to a walking assistive system helping a user while walking by supporting him/her, depending on his/her locomotive system involving capacity, diminishing the risk of falling and generating information on the walking quality evolution. According to the invention, the system consists of a walking frame (1), wheeled or not, which has two armpit supporting devices (2 and 3) and a bottom supporting device (4) attached, so that the user is permanently supported, even when he/she is incapable of keeping his/her balance. Each leg of the walking frame (1) is provided with a force sensor (14, 15, 16, 17), other force and/or pressure sensors (11, 12, 13) being placed in the armpit supporting zones, as well as in the bottom supporting zone, where determination of the plantar supporting forces is carried out by means of sensors incorporated into shoe elements (5 and 6). The system, as claimed, may distribute the forces on the three supporting zones by means of a force distribution device (18), controlled by an application, so that, by actuating some motors, the frame (1) is extended, increasing the axillary and coccygeal supporting forces and decreasing the plantar supporting force or it is compressed, decreasing the axillary and coccygeal supporting forces, which are artificially developed by the adaptive walking system, while the plantar supporting force, developed by the user's locomotive apparatus, is increased.

Description

Data depozit......Deposit date......

Sistem asistiv pentru mersAssistive system for walking

Invenția se referă la un sistem asistiv pentru mers care ajută utilizatorii în timpul mersului printr-o susținere asistivă, în funcție capacitatea de implicare a sistemului locomotor (mușchi, articulații, oase), diminuează riscul de cădere și generează informații despre evoluția calității mersului.The invention refers to an assistive system for walking that helps users while walking through an assistive support, depending on the involvement capacity of the locomotor system (muscles, joints, bones), reduces the risk of falling and generates information about the evolution of walking quality.

Brevetul EP3695822A1 cu titlul “GAIT ASSISTIVE DEVICE” dezvăluie o soluție tehnică dedicată îmbunătățirii calității mersului prin compensarea mișcării articulațiilor cu niște mecanisme ce preiau parțial forțele de reacțiune dintre picior și podea. Un dezavantaj al acestei soluții tehnice este acela că nu dă informații despre gradul de disponibilitate a piciorului în timpul mersului. Un alt dezavantaj este lipsa unui dispozitiv de reglare al gradului de asistență în timpul mersului.The patent EP3695822A1 with the title "GAIT ASSISTIVE DEVICE" reveals a technical solution dedicated to improving the quality of walking by compensating the movement of the joints with some mechanisms that partially take over the reaction forces between the foot and the floor. A disadvantage of this technical solution is that it does not give information about the degree of leg availability during walking. Another disadvantage is the lack of a device for adjusting the degree of assistance while walking.

O soluție tehnică ce dezvăluie un sistem asistiv activ sub forma unui exoschelet este dezvăluită în brevetul US2021298984A1 cu titlul “Powered gait assistance systems”. Sistemul asistiv este alcătuit dintr-un mecanism ce este montat în paralel cu piciorul unui pacient, acest mecanism fiind acționat de unul sau mai multe motoare iar poziția și distribuția de forțe sunt determinate de către niște senzori de torsiune și senzori unghiulari. Este lesne de înțeles că ambele picioare ale unui pacient pot beneficia de asistența unui asemenea sistem numai că această soluție tehnică nu este aplicabilă pentru utilizatorii care au un grad ridicat de afecțiuni locomotorii existând riscul de cădere.A technical solution that reveals an active assistive system in the form of an exoskeleton is disclosed in patent US2021298984A1 with the title "Powered gait assistance systems". The assistive system consists of a mechanism that is mounted parallel to a patient's leg, this mechanism being operated by one or more motors and the position and distribution of forces are determined by some torsion sensors and angle sensors. It is easy to understand that both legs of a patient can benefit from the assistance of such a system, but this technical solution is not applicable for users who have a high degree of locomotor disorders and there is a risk of falling.

Cererea de brevet US20190240103A1 cu titlul “Exoskeletal gait rehabilitation device” prezintă un dispozitiv de reabilitare sub forma unui exoscelet care se montează în paralel cu membrul inferior al unui utilizator și dezvoltă niște forțe complementare de susținere în timpul mersului. Monitorizarea forțelor dezvoltate de către exoschelet și măsurarea unghiurilor dintre elementele acestuia se fac cu niște sezori iar pe baza datelor generate de acești senzori se determină un coeficient de calitate a mersului (“gait quality measure - GQM”). Dezavantajul acestei soluții tehnice constă în neluarea în considerare a forțelor plantare care dau informații οPatent application US20190240103A1 entitled “Exoskeletal gait rehabilitation device” presents a rehabilitation device in the form of an exoskeleton that is mounted parallel to the lower limb of a user and develops some complementary support forces during walking. The monitoring of the forces developed by the exoskeleton and the measurement of the angles between its elements are done with sensors, and based on the data generated by these sensors, a gait quality measure ("gait quality measure - GQM") is determined. The disadvantage of this technical solution is that it does not take into account the plantar forces that give information ο

despre capacitatea utilizatorului de a-și susține greutatea cu ajutorul propriului aparat locomotor.about the user's ability to support their weight with their own locomotor apparatus.

Sistemul asistiv pentru mers este alcătuit dintr-un cadru de mers, pe roți sau pășitor, care are atașate două dispositive de susținere axilară și un dispozitiv de susținere a șezutului astfel încât utilizatorul va fi susținut în permanență chiar și atunci când se află în incapacitatea de a-și menține echilibrul. Fiecare picior al cadrului de mers este dotat cu câte un senzor de forță, de asemenea alți senzori de forță și/sau presiune se plasează în zonele axilare de susținere precum și în regiunea coccigiană.The walking assist system consists of a walking frame, wheeled or walker, which has two axillary support devices and a seat support device attached so that the user will be supported at all times even when unable to walk. to maintain balance. Each leg of the walking frame is equipped with a force sensor, also other force and/or pressure sensors are placed in the axillary support areas as well as in the coccygeal region.

Echipamentul de mers asistiv mai poate să aibă funcționalitatea de locomoție artificială pentru sistuația în care utilizatorul nu este capabil să se deplaseze.Assistive walking equipment can also have the functionality of artificial locomotion for the situation where the user is not able to move.

Avantajele invenției sunt următoarele:The advantages of the invention are as follows:

- oferă siguranță utilizatorului în ceea ce privește menținerea echilibrului- provides safety to the user in terms of maintaining balance

- asigură sprijin de susținere pe măsura nevoilor utilizatorului monitorizând raportul dintre forțele de susținere axilare, coccigiene și forțele de susținere plantare- provides supportive support tailored to the user's needs by monitoring the ratio between the axillary, coccygeal and plantar support forces

- monitorizează evoluția calității mersului prin alaliza semnalelor generate de către senzorii de forță/presiune montați în niște platforme pedometrice.- monitors the evolution of walking quality by analyzing the signals generated by the force/pressure sensors mounted in some pedometric platforms.

Se dă, în continuare, o variantă de realizare a invenției, în legătură și cu figurile 1 ...3 care reprezintă:Next, an embodiment of the invention is given, also in connection with figures 1...3 which represent:

Figura 1: Schema sistemului asistiv pentru mersFigure 1: Scheme of the assistive system for walking

Figura 2: Schema dispozitivului de distribuție de forțeFigure 2: Schematic of the force distribution device

Figura 3: Schema modului de achiziție și transfer de dateFigure 3: Schematic of data acquisition and transfer mode

Sistemul asistiv pentru mers este alcătiut, conform invenției, dintr-un cadru de mers 1 față de care este atașat un dispozitiv de susținere axilară a brațului drept 2 și un dispozitiv de susținere axilară a brațului stâng 3 și de asemenea este atașat un dispozitiv de susținere coccigiană 4 asfel încât corpul unui utilizator va fi susținut în cele trei regiuni, axială dreaptă, axială stângă, coccigiană dar va beneficia și de o susținere plantară prin două dispozitive plantare, un dispozitiv plantar drept 5 și un dispozitiv plantar stâng 6, distribuția forțelor de susținere fiind în funcție de capacitatea proprie de susținere a utilizatorului, considerându-se un grad de susținere maxim atunci când toată greutatea acestuia este suportată de către dispozitivele plantare iar un grad de susținere minim înseamnă o distribuție a greutății utilizatorului pe zonele axilare și coccigiană iar forțele care acționează asupra dispozitivelor plantare sunt minime. Cadrul de mers 1 se sprijină pe cel puțin trei picioare, în exemplul de față este reprezentată o sprijinire pe patru picioare, pe un picior drept-față 7, pe un picior stâng-față 8, pe un picior drept-spate 9 și pe un picior stâng-spate 10. Determinarea forțelor de susținere ale corpului utilizatorului se face prin intermediul unor senzori de forță sau de presiune ce sunt plasați în regiunile axilare sau coccigiană după cum urmează: de un senzor axilar drept 11, ce este plasat pe dispozitivul de susținere axilară a brațului drept 2, de un senzor axilar stâng 12 ce este plasat pe dispozitivul de susținere axilară a brațului stâng 3, de un senzor coccigian 13 ce este plasat pe dispozitivul de susținere coccigiană 4, de asemenea determinarea forțelor de susținere plantară se face de către niște senzori de forță sau presiune ce sunt încorporați în niște elemente de încălțăminte cum ar fi branțuri, sandale sau pantofi. Forța de greutate a corpului utilizatorului va fi percepută ca suma forțelor de suținere axilară, coccigiană și plantară. Forța de greutate a corpului utilizatorului împreună cu forța de greutate a cadrului mobil pot fi măsurate prin intermediul unor senzori de forță ce sunt montați pe fiecare picior al cadrului mobil după cum urmează: un senzor de forță 14 pentru piciorul drept-față 7, un senzor de forță 15 pentru piciorul stâng-față 8, un senzor de forță 16 pentru piciorul drept-spate 9 și un senzor de forță 17 pentru piciorul stâng-spate 10; Distribuția forțelor pe cele trei zone de susținere respectiv pe zonele axilare, pe zona coccigiană și pe zona plantară, se face cu ajutorul unui dispozitiv de distribuție a forțelor în zonele de susținere 18 asfel încât, prin acționarea unor motoare cadrul se va extinde sau se va comprima, atunci când se extinde vor crește forțele de susținere axilare și coccigiană și vor scădea forța de susținere plantară iar atunci când cadrul se comprimă vor scădea forțele de susținere axilare și coccigiană, ce sunt dezvoltate în mod artificial de către echipamentul de mers asistiv, și va crește forța de susținere plantară dezvoltată de către aparatul locomotor al utilizatorului. Dispozitivul de distribuție a forțelor în zonele de susținere 18 este alcătuit dintr-o unitate de comandă și control 19 care primește niște comenzi de la aplicația gait_mon prin intermediul modulului radio RF și în funcție de aceste comenzi controlează motoarele M1, M2,...,Mn prin intermediulul modulului de curent mare 20, astfel încât prin modificarea curselor unor actuatori liniari Ρ1, P2, ..., Pn să se seteze corespunzător înălțimile dispozitivelor de susținere axilară respectiv a dispozitivului de susținere coccigiană, prin această setare obținându-se o distribuție dorită a forțelor pe cele trei dispozitive de susținere amintite mai sus.The walking assist system is composed, according to the invention, of a walking frame 1 to which a right arm axillary support device 2 and a left arm axillary support device 3 are attached and a support device is also attached coccyx 4 so that a user's body will be supported in the three regions, right axial, left axial, coccyx but will also benefit from plantar support through two plantar devices, a right plantar device 5 and a left plantar device 6, the distribution of the forces of support being a function of the user's own support capacity, considering a maximum degree of support when all his weight is supported by the plantar devices and a minimum degree of support means a distribution of the user's weight on the axillary and coccygeal areas and the forces that act on the plantar devices are minimal. The walking frame 1 rests on at least three legs, in the present example it is supported on four legs, on a right-front leg 7, on a left-front leg 8, on a right-back leg 9 and on a left-back leg 10. The determination of the supporting forces of the user's body is done by means of force or pressure sensors that are placed in the axillary or coccygeal regions as follows: by a right axillary sensor 11, which is placed on the support device axillary of the right arm 2, by a left axillary sensor 12 that is placed on the axillary support device of the left arm 3, by a coccyx sensor 13 that is placed on the coccyx support device 4, also the determination of the plantar support forces is done by to some force or pressure sensors that are incorporated into some footwear elements such as insoles, sandals or shoes. The weight force of the user's body will be perceived as the sum of the axillary, coccygeal and plantar support forces. The weight force of the user's body together with the weight force of the mobile frame can be measured by means of force sensors mounted on each leg of the mobile frame as follows: a force sensor 14 for the right-front leg 7, a sensor force sensor 15 for left-front leg 8, a force sensor 16 for right-rear leg 9 and a force sensor 17 for left-rear leg 10; The distribution of forces on the three support areas, respectively on the axillary areas, on the coccygeal area and on the plantar area, is done with the help of a force distribution device in the support areas 18 so that, by operating some motors, the frame will expand or compress, when it expands the axillary and coccygeal support forces will increase and the plantar support force will decrease and when the frame compresses the axillary and coccygeal support forces will decrease, which are artificially developed by the assistive walking equipment, and will increase the plantar support force developed by the user's locomotor system. The force distribution device in the support areas 18 consists of a command and control unit 19 which receives some commands from the gait_mon application via the RF radio module and according to these commands controls the motors M1, M2,..., Mn by means of the high current module 20, so that by changing the strokes of some linear actuators Ρ1, P2, ..., Pn the heights of the axillary support devices and the coccygeal support device respectively are set accordingly, through this setting obtaining a distribution of the forces on the three support devices mentioned above.

Datele de la senzorii echipamentului de mers asistiv sunt preluate prin intermediul unui modul de achiziție și transfer de date 21 (figura 3) care preia datele de la senzorul axilar drept 11, de la senzorul axilar stâng 12, de la senzorul coccigian 13 precum și de la senzorii platformei pedometrice pentru piciorul drept PPD și de la senzorii platformei pedometrice pentru piciorul stâng PPS și transmite aceste date sub forma unui pachet de date spre dispozitivul mobil DM prin intermediul unui modul de comunicație radio mRF. De asemenea acest pachet de date mai poate să încorporeze date și de la alți senzori cum ar fi senzorii de forță montați pe picioarele cadrului de mers.The data from the sensors of the assistive walking equipment are retrieved by means of a data acquisition and transfer module 21 (figure 3) which retrieves the data from the right axillary sensor 11, from the left axillary sensor 12, from the coccygeal sensor 13 as well as from to the sensors of the pedometer platform for the right foot PPD and from the sensors of the pedometer platform for the left foot PPS and transmits this data in the form of a data packet to the mobile device DM via an mRF radio communication module. This data package can also incorporate data from other sensors such as force sensors mounted on the legs of the walking frame.

Programul de calculator care rulează pe dispozitivul mobil în aplicația gait_mon prevede două moduri de lucru, într-un prim mod de lucru programul face o evaluare a parametrilor locomotorii ai utilizatorului sistemului; într-un al doilea mod de lucru programul generează secvențe de antrenare pentru îmbunătățirea parametrilor locomotorii ai utilizatorului; programul de calculator este prezentat ca și o succesiune de operații după cum urmează: lansarea în execuție a programului, inițializarea parametrilor aplicației, recepționarea datelor de la senzorii axilari, coccigian și pedometrici, analiza opțiunii utilizatorului pentru evaluarea parametrilor de mers, astei încât dacă se optează pentru această operație se vor calcula, pe baza datelor de la senzori, forțele axilare (forțele de contact dintre corpul utilizatorului și dispozitivele de susținere axilară), forța Fax_d pentru piciorul drept respectiv forța Fax_s pentru piciorul stâng, forța coccigiană Fcc (forța de contact dintre corpul utilizatorului și dispozitivul de susținere coccigiană) și forțele plantare (forțele cu care acționează tăpile picioarelor asupra dispozitivelor plantare), Fp_d fiind forța plantară pentru piciorul drept iar Fp_s este forța plantară pentru piciorul stâng, suma acestor forțe fiind egală cu forța de greutate a utilizatorului: Fgu=Fax_d+Fax_s+Fcc+Fp_d+Fp_s; forțele axilare și coccigiană sunt forțe de susținere artificială dezvoltate de către echipamentul asistiv pentru mers pe când forțele plantare sunt forțe de susținere dezvoltate de către aparatul locomotor al utilizatorului. Evaluarea capacității de mers (QCM) se face prin raportarea valorilor forțelor artificiale și ale forțelor aparatului locomotor la valoarea totală a forței de greutate a utilizatorului. Se consideră o capacitate de mers integrală atunci când QCM=( Fp_d+Fp_s)/Fgu = 1 și se consideră o capacitate de mers nulă atunci cândThe computer program running on the mobile device in the gait_mon application provides two working modes, in a first working mode the program evaluates the locomotor parameters of the system user; in a second working mode the program generates training sequences to improve the locomotor parameters of the user; the computer program is presented as a sequence of operations as follows: launching the program into execution, initializing the application parameters, receiving data from the axillary, coccygeal and pedometric sensors, analyzing the user's option to evaluate the walking parameters, such that if it is opted for this operation, the axillary forces (the contact forces between the user's body and the axillary support devices), the Fax_d force for the right leg and the Fax_s force for the left leg, the coccygeal force Fcc (the contact force between the user's body and the coccygeal support device) and the plantar forces (the forces with which the soles of the feet act on the plantar devices), Fp_d being the plantar force for the right foot and Fp_s being the plantar force for the left foot, the sum of these forces being equal to the weight force of the user : Fgu=Fax_d+Fax_s+Fcc+Fp_d+Fp_s; axillary and coccygeal forces are artificial support forces developed by the assistive walking equipment while plantar forces are support forces developed by the user's locomotor apparatus. The walking capacity assessment (QCM) is done by relating the values of the artificial forces and the forces of the locomotor apparatus to the total value of the weight force of the user. An integral walking capacity is considered when QCM=( Fp_d+Fp_s)/Fgu = 1 and a zero walking capacity is considered when

QCM = 0. Atunci când valoarea coeficientului QCM se află în intervalul 0...1 (cu valori diferite de 0 și 1) se consideră că utilizatorul are o capacitate de mers parțială. Valorile pentru coeficientul QCM se stochează într-o memorie și se vizualizează în aplicația gait_mon. Dacă se optează pentru generarea unor secvențe de antrenare atunci, într-o primă etapă se evaluează valoarea coeficientului capacității de mers QCM pentru care utilizatorul reușește să se deplaseze relativ ușor iar apoi, în mod automat, se diminuează valorile forțelor de susținere artificială și implicit cresc forțele de susținere ale aparatului locomotor urmând ca utilizatorul să efectueze un exercițiu de mers și să se urmărească evoluția presiunilor plantare în timpul mersului prin analiza variațiilor de semnale din zonele calcanare, tarsiene și metatarsiene pentru toate fazele mersului ceea ce va da informații despre calitatea mersului; forțelor de susținere ale aparatului locomotor vor fi crescute atâta timp cât se menține o calitate satisfăcătoare a mersului; acești cicli se repetă periodic urmărindu-se evoluția în timp a coeficientului capacității de mers QCM.QCM = 0. When the value of the QCM coefficient is in the range 0...1 (with values different from 0 and 1) it is considered that the user has a partial walking capacity. The values for the QCM coefficient are stored in a memory and viewed in the gait_mon application. If one opts for the generation of training sequences, then, in a first stage, the value of the QCM walking capacity coefficient is evaluated for which the user manages to move relatively easily and then, automatically, the values of the artificial support forces are decreased and implicitly increase the supporting forces of the locomotor apparatus after the user performs a walking exercise and the evolution of plantar pressures during walking is followed by analyzing the signal variations in the calcaneal, tarsal and metatarsal areas for all phases of walking, which will give information about the quality of walking; the supporting forces of the locomotor apparatus will be increased as long as a satisfactory gait quality is maintained; these cycles are repeated periodically following the evolution over time of the QCM walking capacity coefficient.

Claims

1. Assistive walking system characterized in that it consists of a walking frame (1) to which a right arm axillary support device (2) and a left arm axillary support device (3) are attached, and a coccygeal support device (4) is also attached so that a user's body will be supported in the three regions, right axial, left axial, coccygeal but will also benefit from plantar support through two plantar devices, a right plantar device ( 5) and a left plantar device (6), the distribution of support forces being according to the user's own support capacity, considering a maximum degree of support when all his weight is supported by the plantar devices and a degree of support minimal means a distribution of the user's weight on the axillary and coccygeal areas and the forces acting on the plantar devices are minimal

2. Assistive system for walking, according to claim 1, characterized in that the determination of the support forces of the user's body is done by means of force or pressure sensors that are placed in the axillary or coccygeal regions as follows: by a right axillary sensor (11), which is placed on the axillary support device of the right arm (2), by a left axillary sensor (12) which is placed on the axillary support device of the left arm (3), by a coccygeal sensor (13) which is placed on the coccygeal support device (4), also the determination of the plantar support forces is done by some force or pressure sensors that are incorporated in some footwear elements such as insoles, sandals or shoes.

3. Assistive system for walking, according to claim 1, characterized in that the distribution of forces on the three support areas, respectively on the axillary areas, on the coccygeal area and on the plantar area, is done with the help of a force distribution device in the support areas (18) so that, by actuating some motors, the frame will expand or compress, when it expands, the axillary and coccygeal support forces will increase and the plantar support force will decrease, and when the frame compresses, the axillary support forces will decrease and coccyx, which are artificially developed by the assistive walking equipment, and will increase the plantar support force developed by the user's locomotor apparatus.

4. Computer program characterized by the fact that it runs on the mobile device in the gait_mon application and provides two working modes, in a first working mode the program evaluates the locomotive parameters of the system user; in a second working mode the program generates training sequences to improve the locomotor parameters of the user; the computer program is presented as a sequence of operations as follows: launching the program into execution, initializing the application parameters, receiving data from the axillary, coccygeal and pedometric sensors, analyzing the user's option to evaluate the gait parameters, such that if it is opted for this operation, the axillary forces (the contact forces between the user's body and the axillary support devices), the Fax_d force for the right leg and the Fax_s force for the left leg, the coccygeal force Fcc (the contact force between the user's body and the coccygeal support device) and the plantar forces (the forces with which the soles of the feet act on the plantar devices), Fp_d being the plantar force for the right foot and Fp_s being the plantar force for the left foot, the sum of these forces being equal to the weight force of the user : Fgu=Fax_d+Fax_s+Fcc+Fp_d+Fp_s; axillary and coccygeal forces are artificial support forces developed by the assistive walking equipment while plantar forces are support forces developed by the user's locomotor apparatus.

5. Computer program, according to claim 4, characterized in that it performs the walking capacity assessment (QCM) by relating the values of the artificial forces and the forces of the locomotor apparatus to the total value of the weight force of the user; an integral walking capacity is considered when QCM=( Fp_d+Fp_s)/Fgu = 1 and a zero walking capacity is considered when QCM = 0; when the value of the QCM coefficient is in the range 0...1 (with values different from 0 and 1) it is considered that the user has a partial walking capacity.