WO2016039608A1 - Exoesqueleto mecánico ajustable, para un animal bípedo con discapacidad ósea y muscular - Google Patents

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exoskeleton
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support
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PCT/MX2014/000139
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Noberto VELAZQUEZ NIÑO
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Uprobots S. De R.L. De C.V.
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Definitions

  • the present invention is. It relates to the technical fields of electronics and orthopedic medicine, since it provides an adjustable mechanical exoskeleton for a biped animal, such as a human, with bone and muscle mobility problems.
  • Patent document O2011127421 describes an exoskeleton, configurable to be coupled to a person, includes an exoskeleton trunk connected to a first and second leg supports, in the respective hip joints, which allow flexion and extension around the respective axes of the hip.
  • a counterweight device including an auxiliary mass is connected to the exoskeleton trunk, through a drive device, such that the auxiliary mass extends behind the trunk of the exoskeleton, through a support device.
  • load which includes a load change device, exclusively for power operation mechanisms, to raise or lower the front load with respect to the exoskeleton trunk.
  • the auxiliary mass can be displaced, selectively, with respect to the exoskeleton trunk, to balance the movement created around the axes. of hip, by the auxiliary mass and the movement created by a, downward force of the load on the device.
  • Patent document US2010256537 1 discloses a control system for a device of a haptic exoskeleton, which has: a structure, to be coupled to the body of a subject; actuators, supported by the structure and that can work to cause movement of a series of body joints; and sensors, coupled to the body to detect first signals indicative of an intention of movement of the subject.
  • the control system is provided with: a regeneration stage, the control of a joint position on the basis of a reference position; a stage of direct feeding, the control of a compliance presented by the haptic exoskeleton to the subject on the basis of the first detected signals, and a combination block, combining the outputs of the regeneration stage and the stage of direct feeding in order of generating an excitation signal for the actuators, thereby imposing a controlled position on the joints.
  • WO2011124781 discloses a mechanical articulation system that can be used for a orthosis, exoskeleton, -robot and prosthesis, which will have an application in any system to help mobility, for muscle support, for the rehabilitation of motor skills, la-, amplification and reproduction of natural movements.
  • the ' mechanical system uses, as the initial basis ,, the movement in space of a plane formed' by two stringers that form a parallelepiped, the union of two distinct elements, for example on one side of the torso and on it ; other side of the arm Each link to the ends of the.
  • Stringers which allows rotation in at least one of the three axes, will be able to be mounted in a "flat" positioning system in order to amplify the movement of the joint.
  • Figure 1 is a conventional perspective view of the mechanical exoskeleton of the present invention.
  • Figure 2 is an explosive view of the waist section of the present mechanical exoskeleton.
  • Figure 3 ' is an' explosive view of the upper part of
  • Figure 4 is an explosive view of the middle part of one of the ⁇ extremities of the exoskeleton in question.
  • Figure 5 is an explosive view of the lower part of one of the extremities of the exoskeleton.
  • Figure 6 is. a conventional perspective view of the exoskeleton. mechanical, in an open position.
  • Figure 7 is a conventional perspective view of one of the embodiments of the mechanical exoskeleton of the present invention.
  • Figure 8 is a top view of the mechanical exoskeleton in question.
  • Figure 9 is a conventional perspective view of the exoskeleton in use, by a user.
  • Figure 10 ⁇ is a 'conventional perspective view of another of the embodiments of this exoskeleton.
  • Figure 11 is a front of the mechanical exoskeleton in question, where it is illustrated in a manner schematic,. , 1st distribution of the electric system.
  • Figure 12 is a side view of the mechanical exoskeleton of Figure 11.
  • Example 1 Preferred embodiment of the present invention.
  • the mechanical exoskeleton is made up of a main profile of half square spout (1), placed face down, whose lateral sides have perforations, ' . (2) located, linearly and preferably, towards the ends of said profile.
  • This profile serves as the main support of the exoskeleton, to adjust the width of the. exoskeleton legs and to fit the waist of a user. This is achieved thanks to sus ⁇ its perforations (2), ensuring that adjustment, by means of bolts. Or screws, which are introduced into said perforations (2).
  • a first pair of extensible and reducible supports are placed horizontally and perpendicularly with respect to said main profile (1); which are formed by a hollow square tube (3), where its side walls extend perpendicularly upwards (4), in which a tubular section (5) is placed horizontally and perpendicularly, with respect to the tube (3). with perforations (6) on its lateral sides.
  • tubular sections (5) are introduced and slide along the channel of the main profile (1); that sliding is in order to adjust the width of a user's hip and such width is fixed with bolts or screws.
  • each vertical bar (9) a ring (10) is provided, which, in cooperation with a pair of rings (12) that are welded vertically at the upper end of an inner upper tube (14), they form a first kneecap or hipcap; where for this, a first set of four washers (11) is inserted between the rings (10 and 12) and an internal bearing is included, to allow rotation.
  • Said upper inner tube (14) is square with perforations in its lateral sides, which, it slides vertically in the channel of a ( upper profile (13) square half-pipe with perforations in its lateral sides as well; where the perforations of both pieces (13 and 14) are located in such a way that they coincide with each other, to allow the introduction of a fastening means, such as a bolt or a screw, so that both pieces (13 and 14) form a second support to hold a user's femur, adjusts to the length of the user's femur, due to its perforations lateral, by means of which the height can be fixed.
  • a fastening means such as a bolt or a screw
  • a first conventional electric motor of the linear actuator 30 Kg F type (15) is provided in ⁇ the front of each second extensible and reducible support.
  • This motor (15) is the one that provides the force of movement to the extremities of the exoskeleton and by the way it is placed, it is capable of producing a rotation movement in one direction from a linear movement.
  • a first fastener (16) is welded on the front of the vertical bar (9); wherein said latch member (16) is a small square profile Halfpipes with triangular lateral sides and the channel is entered and holds the "upper end of the first motor (15). While the lower end of the first motor (15 ) is secured in a base (17) that is welded at the lower end of the upper inner tube (14).
  • a ring (18) is welded, which together with a pair of rings (20) welded at the upper end of a lower profile (21) square half-spout, they form a second kneecap or kneecap, so a second set of four washers (19) and a bearing, between said rings (18 and 20), are placed to allow rotation.
  • a lower tube (22) is displaced vertically.
  • These pieces (21 and 22) form a third extensible and reducible support that supports the lower part of a user's leg, so that these pieces have the same characteristics and configuration, to those of the upper tube (14) and the profile superior (13).
  • a second conventional electric motor of the linear actuator type of 30 Kg F (23), is provided on the back of each third extensible and reducible support.
  • Said second motor is fixed its upper part in a second fastener part (24), of the same configuration to the first fastener part (16), this second part (24) is located in the lower rear part of the upper profile (13); and the lower part of the second motor (23) is secured in a second base (25) located in the lower rear part of the lower profile (21).
  • each lower tube (22) In the lower part of each lower tube (22) a ring (26) is welded, where it will form a third kneecap or ankle joint, in participation with a pair of rings (28) which is welded on a fixed support (29), between the rings (26 and 28) a third set of washers (27) and a bearing is inserted to allow rotation.
  • the fixed support (29) consists of a metal support that is secured on a horizontal base (30) and serves as the basis for the entire exoskeleton, so its function is to provide a firm support from the sole of the exoskeleton to the legs of the same.
  • a 10 Kg F linear actuator type motor (31) is inclined, between the horizontal base (30) and the lower tube (22), where a pair of fastener parts (32 and 32 ') are provided for this purpose.
  • one (32) is fixed at the lower front of the lower tube (22) and the other (32 ') at the front end of the horizontal base (30).
  • This engine provides the force of movement in the ankle joint of the exoskeleton and by the way it is designed, it is capable of producing a rotation movement in one direction from a linear movement.
  • All the aforementioned motors can be electric, hydraulic, electromechanical, or pneumatic or of any other type of actuator that generates a linear movement with force from 10 to greater than 30 Kg F.
  • kneecaps consist of the fixed rings with several bronze washers, among them, to reduce friction and an internal bearing that allows rotation; since said kneecaps have the function of a mechanical joint of a single degree of freedom and that prevents lateral movements in the hip, knee and ankle joint.
  • Each kneecap externally has a magnetic angular position sensor, consisting of a magnet (40), a magnetic sensor (41) and a base for the magnetic sensor (42).
  • Said magnetic sensor is in communication with a main microprocessor (43), in this case by a cable (44), but it can be any other means of communication.
  • the magnetic sensor lets you know in what position the exoskeleton's legs are. This achieves a mechanical joint of a single degree of freedom and prevents lateral movements in the hip, knee and ankle joint of the exoskeleton in question.
  • a template (33) is provided on the horizontal base (30), which is a rigid surface that can be metallic and where the exoskeleton user places his foot. This piece is the one that lifts the user's feet when walking or standing up.
  • Four pressure sensors (45) are found to provide information to the main microprocessor (43) of the exoskeleton to which side the load is applied and thus through the ankle actuator can be correct the total exoskeleton posture while in a resting position or when making a movement.
  • a back support (34) is provided at the top of the main profile (1), where said support is, in this example, a metal frame that can be made of steel and that provides support to the user's back. It also serves to contain the batteries and electronic circuits that control the motors of the exoskeleton so you can walk.
  • a main microprocessor (43) that controls the logic of exoskeleton movements based on the information of the sensors distributed in said exoskeleton.
  • the back support (34) sits on a pair of tubular bases (35), which each consist of a tubular profile up to its half, arranged vertically, with perforations on its lateral sides.
  • the back support (34) is provided with a tubular piece (36) with perforations on its sides that make contact with the sides with perforations of the tubular base (35), since said tubular piece (36) is the one it is introduced vertically in the tubular base (35); in such a way that it allows to adjust the height at which it is desired to place the back support, according to the size of the user.
  • Flexible strips (48) are provided on the front of the back support (34), so that the user puts them on his chest, to securely attach to the exoskeleton.
  • a lower back support (37) is provided by the central lower part of the main profile (1), which is a profile frame, which is cushioned to provide a firm and smooth support to the user's lower back.
  • the exoskeleton also provides support for the user's legs, which consist of ergonomically appropriate metal strips (38) to load the person using the exoskeleton; said strips (38) are fixed horizontally on the internal lateral sides of the upper (13) and lower (21) profiles. Some fastening straps (not illustrated) may also be adapted to keep the person attached to the exoskeleton.
  • the number and distribution of the strips (38) is according to the size of the user.
  • All the pieces that make up the exoskeleton structure of the present invention are metallic, preferably made of steel; although they can be made of Any sturdy and lightweight material. Also, said parts are tubular in order to make said mechanical exoskeleton lighter.
  • the electrical system of the exoskeleton comprises: force sensors (45) in the templates (33); an accelerometer (not shown) in the backrest (34); position sensors in each joint ball joint; an electronic control in real time; and the main microprocessor (43) that maintains the balance of the exoskeleton in a static position.
  • This adjustment is made telescopically and has the function of allowing the interposition of the motors in which they get to interfere or collide with each other.
  • said exoskeleton can comprise two sticks or crutches (49) (see Figure 9), where control buttons (46) are placed to manipulate the exoskeleton by the user, said control means are communicated by means of cables (47), although it can communicate in another way As the remote way.
  • the button On the handle of one of the canes the button is placed to choose the function or activity, of getting up, sitting, climbing stairs, going down stairs, walking forward, backward and any other activity you want to do with your legs; while in 'the handle of the other cane the button is placed to order the exoskeleton to move forward or stop.
  • the material of the exoskeleton structure consists primarily of steel and is also composed of six electric linear motors (15, 23 and 31).
  • the linear actuator motor When a joint is required to rotate to generate a movement in the user's leg, the linear actuator motor is activated electronically generating a rotational movement in the desired joint; When all actuator motors are running at the same time, a movement is created that is controlled by the microprocessor (43) that the preprogrammed movements already have.
  • the user can select from several pre-programmed movements, which of all is the one he wishes to perform either standing, sitting, walking, climbing a step, going down a step or bending down.
  • main profile (1) can be discontinuous or in other words, it can be of two sections of profiles, as appreciate , in the Figure. 10, in order to make it lighter.
  • buttons he will control the functions he wants to perform with the exoskeleton. These functions are ' getting up, sitting, going up stairs, going down stairs, walking forward, walking backwards and whatever else you want to do with your legs.
  • One of the canes It will be the one who, by means of a button on the cane support handle, selects the function that the user wants to perform. While the other control button of the other cane will serve to give the order to move forward or stop with the selected action. to walk, climb stairs and sit as you would if you didn't have the disability.
  • the microprocessor (43) When the user is standing with the exoskeleton and is stopped in a vertical position, the microprocessor (43) will automatically control the vertical position of the user by measuring the force applied to the force sensors (45) and the information that arrives from the ace .lerometer (not shown) located on the backrest (34) of the exoskeleton to maintain the vertical of the user with all or exoskeleton by means of the motors (15), (23) and (31).

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Abstract

La invención describe un exoesqueleto mecánico ajustable, para un animal bípedo con discapacidad ósea y muscular, que se conforma de una estructura metálica, que sostiene soportes éxtensibles y reducible, rótula entre los soportes, motores eléctricos convencionales del tipo actuador lineal de 10 y 30 Kg, una plantilla (33) se provee en la base horizontal (30), un soporte de espalda (34), un soporte de espalda baja (37), un sistema eléctrico conformado de, un microprocesador principal (43) que acciona a través de un medio de comunicación a todos los componentes1 del sistema; sensores magnéticos de posición, angular y externa, los cuales se coloca en cada una de las rótulas y constan de un magneto (40), un sensor magnético (41) y una base para el sensor magnético (42); sensores de fuerza (45) en las plantillas (33); un acelerómetro (no ilustrado) en el respaldo de espalda (34); y un control electrónico en tiempo real (46).

Description

EXOESQÜELETO MECÁNICO AJUSTABLE , PARA UN ANIMAL BÍPEDO CON
DISCAPACIDAD ÓSEA Y MUSCULAR
CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se . relaciona con los campos técnicos de la electrónica y la medicina ortopedista, ya que proporciona un exoesqueleto mecánico ajustable, para un animal bípedo, como un- humano, con problemas de movilidad ósea y muscular.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Hoy en día, las personas que viven con debilidad muscular, parálisis en las piernas y principalmente paraplejia, por lo que se les dificulta la movilidad, por ende necesitan de sillas de ruedas, bastones, muletas u cualquier otra tecnología similar, para poder enfrentar su problema de movilidad. Aunque también se han desarrollado tecnologías robóticas o exoesqueletos para tal fin, como se puede ver en los documentos de patentes que a continuación se refieren .
El documento de patente O2011127421 describe un exoesqueleto, configurable para ser acoplado a una persona, incluye un tronco exoesqueleto conectado a un primero y segundo soportes para las piernas, en las respectivas articulaciones de la cadera, que permiten la flexión y extensión alrededor de los respectivos ejes de la cadera. Un dispositivo de contrapeso incluyendo una masa auxiliar está conectado al tronco exoesqueleto, a través de un dispositivo de accionamiento, de tal manera que la masa auxiliar se éxtiende por detrás del tronco del exoesqueleto, a través de un dispositivo de soporte de. carga, que incluye un dispositivo de cambio de carga, exclusivamente para los mecanismos de funcionamiento de potencia, para subir o bajar la carga frontal con respecto al tronco exoesqueleto. La masa auxiliar puede ser desplazada, selectivamente, con respecto al tronco exoesqueleto, para equilibrar el movimiento creado alrededor de los ejes. de cadera, por la masa auxiliar y el movimiento creado por una,, fuerza hacia abajo de la carga en el dispositivo .-de soporte de carga.
El documento de patente US20102565371 da a conocer un sistema de control para un dispositivo de un exoesqueleto háptico, que tiene: una estructura, para ser acoplado al cuerpo de un sujeto; actuadores, soportados por la estructura y que puede funcionar para provocar el movimiento de una serie de articulaciones del cuerpo; y sensores, acoplados al cuerpo para detectar primera señales indicativas de una intención de movimiento del sujeto. El sistema de control está provisto de: una etapa de regeneración, el control de una posición de las articulaciones sobre la base de una posición de referencia; una etapa de alimentación directa, el control de un cumplimiento presentado por el exoesqueleto háptico al sujeto sobre la base de las primera señales detectadas, y un bloque de combinación, combinando las salidas de la etapa de regeneración y la etapa de alimentación directa con el fin de generar una señal de excitación para los actuadores, imponiendo con ello una posición controlada a las articulaciones .
El documento WO2011124781 divulga un sistema de articulación mecánica que se puede utilizar para una ortesis, exoesqueleto, -robot y prótesis, que tendrá una aplicación en cualquier sistema para ayudar a la movilidad, para soporte muscular, para la rehabilitación de las habilidades motoras, la-, amplificación y reproducción de los movimientos naturales. El ' sistema mecánico utiliza, como base inicial,, el movimiento en el espacio de un plano formado' por dos largueros que forman un paralelepípedo, la unión de dos elementos distintos, por ejemplo en un lado del torso y en el ;otro lado del brazo. Cada enlace a los extremos de los. largueros, que permite la rotación en, al menos, uno de los tres ejes, será capaz de ser montado en un sistema de posicionamiento "plano" con el fin de amplificar el movimiento de la articulación.
Como se puede observar, todas las tecnologías actuales son, además de muy complejas, fijas, o sea que no son ajustables a las medidas de los usuarios, lo que trae como consecuencia de que se tenga' que adquirir un aparato único para persona o ir lo cambiando cuando esta va creciendo o aumentando sus tallas.
Por lo tanto, debido a los inconvenientes antes mencionados, se desarrolló un exoesqueleto mecánico que tiene, entre sus ventajas, la de ser ajustable a las medidas de . cualquier usuario que tenga discapacidad muscular u.ósea; el cual describo a continuación.
DESCRIPCION E ALLADA DE LA INVENCION
Los detalles característicos de la presente invención se explican . claramente en la siguiente descripción, figuras y ejemplos, que se' acompasan, los cuales se mencionan a manera de ejemplos, y no deben considerarse como una limitante, para la presente invención.
Breve descripción de las figuras:
La figura 1 es una vista en perspectiva convencional del exoesqueleto mecánico, de la presente invención.
La figura 2 es una vista explosiva de la sección de la cintura del presente exoesqueleto mecánico.
La figura 3 'es una' vista explosiva de la parte superior de
. 'una de las -.extremidades inferior de dicho exoesqueleto.
La figura 4 es una vista explosiva de la parte media de una de ■ las extremidades del exoesqueleto en cuestión.
La figura 5 es una vista explosiva de la parte inferior, de una de las extremidades del exoesqueleto.
La figura 6 es. una vista en perspectiva convencional del exoesqúeleto . mecánico, en una posición de abertura .
La figura 7 es .una vista en perspectiva convencional, de una de las modalidades del exoesqueleto mecánico de la presente, invención.
La figura 8 es una vista superior del exoesqueleto mecánico en cuestión .
La figura 9 es una vista en perspectiva convencional de dicho exoesqueleto en uso, por un usuario.
La figura 10· es una' vista en perspectiva convencional de otra , de las modalidades del presente exoesqueleto .
La figura 11 es una frontal del exoesqueleto mecánico en cuestión, donde se ilustra de manera esquemática, . ,1a distribución del sistema eléqtrico.
La figura 12 es una vista lateral del exoesqueleto mecánico de la figura 11.
Ejemplo 1. Realización preferente de la presente invención.
De acuerdo con las figuras antes referidas, el exoesqueleto mecánico se conforma de un perfil principal de medio caño cuadrado (1), colocado boca abajo, cuyos costados laterales tienen perforaciones, ' .(2) ubicadas, lineal y preferentemente , hacia los extremos de dicho perfil. Este perfil · sirve de soporte principal del exoesqueleto, para ajustar el -ancho de las. piernas del exoesqueleto y para ajustarse a la medida de la cintura de un usuario. Lo cual se logra gracias ¾■ sus perforaciones (2), asegurando ese ajuste, por medio de pernos .o tornillos, que se introducen en dichas perforaciones (2) . Por la parte inferior del perfil principal (1), específicamente dentro de su canal, se colocan horizontal y perpendicularmente , con respecto a dicho perfil principal (1), un primer par de soportes extensibles y reducible; los cuales, se conforman de un tubo hueco cuadrado (3), donde sus paredes laterales se prolongan perpendicularmente hacia arriba (4), en la cual se coloca horizontal y perpendicularmente, con respecto al tubo (3) , una sección tubular (5) con perforaciones (6) en sus lados laterales. Estas . secciones tubulares (5) se introducen y deslizan a lo largo del canal del perfil principal (1); ese deslizamiento es con el fin de ajustar la anchura de la cadera de un usuario' y se fija tal anchura con unos pernos o tornillos. A Ambos costados laterales del tubo hueco (3), se proyectan hacia' abajo soldándoles longitudinalmente una extensión perforada (7), para conformar asi un canal por debajo del tubo hueco (3), donde se desliza longitudinalmente un segundo tubo hueco (8) también perforado en sus lados laterales que hacen contacto con la extensión perforada (7); por lo qué, las perforaciones de ambas piezas quedan ubicadas a la misma altura, para permitir la introducción de un elemento de fijación.
Con este par de soportes extensibles y reducibles, se logra ajusfar la medida transversal de la cadera de un usuario, donde la fijación de tal medida, se hace por medio de la introducción de pernos de seguridad en las perforaciones de la extensión perforada (7) y del segundo tubo hueco (8) . Además, tales pares de soportes, sostienen a las extremidades inferiores del exoesqueleto, las cuales, a su vez sostendrán a las piernas del usuario. Una barra vertical (9) se fija perpendicularmente, en cada extremo libre de los segundos tubos huecos ^8), de los primeros soportes extensibles y reducibles. En el extremo inferior de cada barra vertical (9) se provee una argolla (10), la cual, en cooperación con un par de argollas (12) que se encuentran soldadas verticalmente en el extremo superior de un tubo superior interno (14), forman una primer rótula o rótula de cadera; donde para ello, un primer conjunto de cuatro rondanas (11) se inserta entre el las argollas (10 y 12) y un balero interno se incluye, para permitir la rotación.
Dicho tubo interno superior (14) es cuadrado con perforaciones en sus costados laterales, el cual, se desliza verticalmente en el canal de un ( perfil superior (13) cuadrado de medio caño con perforaciones en sus costados laterales también; donde las perforaciones de ambas piezas (13 y 14) están ubicadas de tal manera que coincidan entre si, para permitir la introducción de un medio de sujeción, como un perno o un tornillo. De esta manera, ambas piezas (13 y 14) forman un segundo soporte para sostener el fémur de un usuario, se ajusta a la longitud del fémur del usuario, debido a sus perforaciones laterales, por medio de las cuales se puede fijar la altura .
Un primer motor eléctrico convencional del tipo actuador lineal de 30 Kg F (15), se^ provee en la parte frontal de cada segundo soporte extensible y reducible. Este motor (15) es el que brinda la fuerza de movimiento a las extremidades del exoesqueleto y por la manera en que está colocado, es capaz de producir un movimiento de rotación en una dirección a partir de un movimiento lineal.
Para sujetar este primer motor (15), se suelda una primera pieza sujetadora (16) en la parte frontal de la barra vertical (9); donde dicha pieza sujetadora (16) es un pequeño perfil cuadrado de medio caño, con lados laterales triangulares y en su canal se introduce y sujeta el "extremo superior del primer motor (15) . Mientras qué, el extremo inferior del primer motor (15) se afianza en una base (17) que está soldada en el extremo inferior del tubo interno superior ( 14 ) .
En la parte inferior del perfil superior (13) se suelda una argolla (18), que conjuntamente con un par de argollas (20) soldadas en el extremo superior de un perfil inferior (21) cuadrado de medio caño, forman una segunda rótula o rótula de la rodilla, por lo que se coloca un segundo juego de cuatro rondanas (19) y un balero, entre dichas argolla (18 y 20), para permitir la rotación.
En el canal del perfil inferior (21) cuadrado de medio caño, se desplaza verticalmente un tubo inferior (22). Estas piezas (21 y 22) conforman un tercer soporte extensible y reducible que sostiene a la parte inferior de la pierna de un usuario, por lo que dichas piezas tienen las mismas características y configuración, a las del tubo superior (14) y el perfil superior (13).
Un segundo motor eléctrico convencional del tipo actuador lineal de 30 Kg F (23) , se provee en la parte posterior de cada tercer soporte extensible y reducible. Dicho segundo motor se fija su parte superior en una segunda pieza sujetadora (24), de la misma configuración a la primera pieza sujetadora (16), esta segunda pieza (24) está ubicada en la parte posterior inferior del perfil superior (13); y la parte inferior del segundo motor (23) se asegura en una segunda base (25) ubicada en la parte posterior inferior del perfil inferior (21) . En la parte inferior de cada tubo inferior (22) se suelda una argolla (26) , donde formará una tercera rótula o rótula de tobillo, en participación con un par de argollas (28) que está soldado en un soporte fijo (29), entre las argollas (26 y 28) se inserta un tercer juego de rondanas (27) y un balero para permitir la rotación.
El soporte fijo (29) consiste en un soporte metálico que está asegurado en un base horizontal (30) y sirve de base para todo el exoesqueleto, por lo que su función es brindar un soporte firme desde la planta del pie del exoesqueleto hasta las piernas del mismo.
Un motor tipo actuador lineal de 10 Kg F (31) se coloca de manera inclinada, entre la base horizontal (30) y el tubo inferior (22), donde para ello se provee un par de piezas sujetadores (32 y 32') donde una (32) se fija en la parte frontal inferior del tubo inferior (22) y la otra (32') en el extremo delantero de la base horizontal (30) . Este motor brinda la fuerza de movimiento en la articulación del tobillo del exoesqueleto y por la manera de cómo está diseñado, es capaz de producir un movimiento de rotación en una dirección a partir de un movimiento lineal. Todos los motores antes referidos, pueden ser eléctricos, hidráulicos, electromecánicos, o neumáticos o de cualquier otro tipo de actuador que genere un movimiento lineal con fuerza de 10 a superior a30 Kg F.
Cabe señalar que todas las rótulas, como ya se ha descrito, constan de las argollas fijas con varias rondanas de bronce, entre ellas, para disminuir la fricción y un balero interno que permite la rotación; ya que dichas rótulas tienen la función de una articulación mecánica de un solo grado de libertad y que impide movimientos laterales en la articulación de cadera, rodilla y tobillo.
Cada rótula tiene externamente un sensor magnético de posición angular, que consta de un magneto (40), un sensor magnético (41) y una base para el sensor magnético (42) . Dicho sensor magnético está en comunicación con un microprocesador principal (43) , en este caso por un cable (44), pero puede ser cualquier otro medio de comunicación. El sensor magnético permite saber en qué posición se encuentran las piernas del exoesqueleto. Con esto se logra una articulación mecánica de un solo grado de libertad y que impide movimientos laterales en la articulación de cadera, rodilla y tobillo, del exoesqueleto en cuestión.
Una plantilla (33) se provee en la base horizontal (30), la cual es una superficie rígida que puede ser metálica y donde el usuario del exoesqueleto coloca su pie. Esta pieza es la que levanta los pies del usuario al momento de caminar o ponerse de pie. En la base inferior de esta plantilla (33) se .encuentran cuatro sensores (45) de presión para proveer información al microprocesador principal (43) del exoesqueleto de hacia qué lado se encuentra aplicada la carga y así por medio del actuador del tobillo se pueda corregir la postura total del exoesqueleto estando en una posición de reposo o al realizar un movimiento.
Un soporte de espalda (34), se provee en la parte superior del perfil principal (1), donde dicho soporte es, en este ejemplo, un marco metálico que puede ser de acero y que brinda soporte a la espalda del usuario. También sirve para contener a las baterías y los circuitos electrónicos que controlan los motores del exoesqueleto para que pueda caminar. En este marco se encuentra también un microprocesador principal (43) que controla la lógica de los movimientos del exoesqueleto en base a la información de los sensores distribuido en dicho exoesqueleto.
El soporte de espalda (34) se asienta en un par de bases tubulares (35), las cuales consisten, cada una, de un perfil tubular hasta su mitad, dispuesto verticalmente, con perforaciones en sus costados laterales. En los costados laterales .del soporte de espalda (34) se provee de una pieza tubular (36) con perforaciones en sus costados que hacen contacto con los costados con perforaciones de la base tubular (35), ya que dicha pieza tubular (36) es la que se introduce verticalmente en la base tubular (35) ; de tal manera que permite ajustar la altura a la que se desea colocar el soporte de la espalda, de acuerdo a la talla del usuario. Unas tiras flexibles (48) se proveen en la parte frontal del soporte de espalda (34), para que el usuario se las coloque en su pecho, para sujetarse firmemente al exoesqueleto . Por la parte inferior central de perfil principal (1) se provee de un soporte de espalda baja (37), el cual es un marco de perfiles, al cual se acojina para brindar un soporte firme y suave a la espalda baja del usuario.
El exoesqueleto también provee de unos soportes para las piernas del usuario, los cuales consisten en tiras metálicas (38) ergonómicamente apropiadas para cargar a la persona que use el exoesqueleto; dichas tiras (38) se fijan horizontalmente en los costados laterales internos, de los perfiles superior (13) e inferior (21) . Puede también adecuarse algunas correas de sujeción (no ilustradas) para mantener a la persona unida al exoesqueleto. El número y distribución de las tiras (38) es según la talla del usuario.
Todas las piezas que conforman la estructura del exoesqueleto de la presente invención son metálicas, preferentemente de acero; aunque pueden hacerse de cualquier material resistente y que sea liviano. También, dichas piezas son tubulares con la finalidad de hacer más liviano a dicho exoesqueleto mecánico.
El sistema eléctrico del exoesqueleto comprende: sensores de fuerza (45) en las plantillas (33); un acelerómetro (no ilustrado) en el respaldo de espalda (34); sensores de posición en cada rótula de articulación; un control electrónico en tiempo real; y el microprocesador principal (43) que mantiene el equilibrio del exoesqueleto en una posición estática.
Con lo anteriormente descrito, obtenemos un exoesqueleto mecánico con auto equilibrio; además de ser ajustable para personas de diferentes estaturas, desde un niño de 1 m hasta un adulto de 1.89 m; asi también, tiene un novedoso ajuste horizontal que tiene la ventaja de que personas de diferentes tallas de cintura lo puedan utilizar.
Este ajuste se hace de forma telescópica y tiene la función de permitir la interposición de los motores en que estos lleguen interferir o chocar unos con otros.
Su sistema de auto equilibrio estático corrige ligeramente la posición en vertical por medio de los motores (31) que tiene en los tobillos del exoesqueleto, que le permiten mantener al usuario de pie, sin necesidad de usar algún tipo de bastón en una posición estática. Sin embargo, dicho exoesqueleto puede comprender, dos bastones o muletas (49) (ver Figura 9) , donde se colocan unos botones de control (46) para manipular al exoesqueleto por parte del usuario, dichos medios de control son comunicados por medio de cables (47), aunque puede comunicarse de otra -manera, tal como la vía remota. En el mango de uno de los bastones se coloca el botón para elegir la función o actividad, de levantarse, sentarse, subir escaleras, bajar escaleras, caminar hacia delante, hacia atrás y cualquier otra actividad que desee hacer con sus piernas; mientras que en' el mango del otro bastón se coloca el botón para ordenarle al exoesqueleto avanzar o detenerse.
El material de la estructura del exoesqueleto, consiste primordialmente de acero y asimismo esta compuesto de seis motores (15, 23 y 31) lineales eléctricos. Cuando se requiere que alguna articulación rote para generar un movimiento en la pierna del usuario, el motor actuador lineal se activa electrónicamente generando un movimiento rotatorio en la articulación deseada; al funcionar todos los motores actuadores al mismo tiempo se crea un movimiento que es controlado por el microprocesador (43) que tienen ya los movimientos pre programados.
El usuario puede seleccionar de entre varios movimientos pre programados, cual de todos es el que desea realizar ya sea pararse, sentarse, caminar, subir un escalón, bajar un escalón o agacharse.
Una de las variantes del presente exoesqueleto es que los motores se les pueden cubrir con tapas (39), tal como se observa en la figura 7, con el fin de proteger a los motores de partículas ambientales que los pudieran dañar o disminuir su rendimiento.
Otra de las variantes del presente exoesqueleto es que el perfil principal (1) puede ser discontinuo o dicho de otra manera, puede ser de dos tramos de perfiles, tal como se aprecia, en la Figura. 10, con la finalidad de hacerlo más ligero .
Ejemplo 2. Funcionamiento del exoesqueleto mecánico de la presente invención-, es, el siguiente:
Estando el exoesqueleto en la posición sentado sobre una silla, el usuario se debe sentar en el interior de las piernas del ex'besqueleto previamente ajustado a su medida de cadera y largo de piernas, de manera que las tiras metálicas (38) le queden debajo de sus piernas. Una vez hecho esto, el. usuario se deberá amarrar por medio de alguna correa sus piernas al exoesqueleto, asi como ponerse los tirantes de la mochila (34) como se ilustra en la figura 9.
Asi mismo por medio de correas en los pies (no ilustradas) se debe amarrar estos a la base . (30) de los pies del exoesqueleto . '
Una vez hecho esto el usuario tomará los bastones de control (figura 9) ' y por medio de dos botones controlará las funciones que quiere realizar con el exoesqueleto. Estas funciones son', levantarse, sentarse, subir escaleras, bajar escaleras, , caminar hacia delante, caminar hacia atrás y cualquier otra que desee hacer con sus piernas. Uno de los bastones . será el que por medio de un botón en el mango de apoyo del bastón, seleccione la función que quiere realizar el usuario. Mientras que el otro botón de control del otro bastón servirá para dar la orden de avanzar o detenerse con la acción seleccionada. a caminar, subir escaleras y sentarse como lo haría si no tuviera la discapacidad.
Cuando el usuario está de pie con el exoesqueleto y se encuentra detenido en una posición vertical, el microprocesador (43) controlará automáticamente la posición vertical del usuario midiendo la fuerza aplicada en los sensores de fuerza (45) y la información que le llegue del ace.lerómetro (no ilustrado) ubicado en el respaldo de espalda (34) del exoesqueleto para mantener así la vertical del usuario con todo u exoesqueleto por medio de los motores (15) , (23) y (31) .
En las figuras 9, 11 y 12 se. aprecian cómo un arnés de cable conecta todos los sensores con el microprocesador principal (43) , dichos arneses contienen los cables de los sensores y cables de alimentación para los motores (15), (23) y (31) y los sensores (41) ubicados en las rótulas.
Es importante señalar que los ejemplos de realización antes descrito, es una de las formas preferentes, sin embargo, hay muchas otras maneras obvias para un experto en la materia, de cómo llevar acabo la presente invención. Por lo que dichas modificaciones o variantes, quedan comprendidas en la presente invención.

Claims

REIVINDICACIONES
Un exoesqueleto mecánico ajustable, para un animal bípedo con discapacidad ósea y muscular, que comprende: i) un perfil principal de medio caño cuadrado (1), colocado boca abajo, cuyos costados laterales tienen perforaciones (2) ubicadas, lineal y preferentemente, hacia los extremos de dicho perfil; ii) un primer par de soportes extensibles y reducible se colocan horizontal y perpendicularmente en la parte inferior del perfil principal (1), específicamente dentro de su canal; donde cada soporte extensible y reducible, se conforma de un tubo hueco cuadrado (3), cuyas paredes laterales se prolongan perpendicularmente hacia arriba (4), en la cual se coloca horizontal y perpendicularmente, con respecto al tubo (3), una sección tubular (5) con perforaciones (6) en sus lados laterales; dichas secciones tubulares (5) se introducen y deslizan a lo largo del canal del perfil principal (1) y se fijan por un medio de fijación; a ambos costados laterales del tubo hueco (3) , se proyectan hacia abajo soldándoles longitudinalmente una extensión perforada (7), para conformar así un canal por debajo del tubo hueco (3), donde se desliza longitudinalmente un segundo tubo hueco (8) también perforado en sus lados laterales que hacen contacto con la extensión perforada (7);
iii) una barra - vertical (9) se fija perpendicularmente, en cada extremo libre de los segundos tubos huecos (8), y en el extremo inferior de cada barra vertical (9) se provee una argolla (10) ;
iv) una primera rótula o rótula de cadera, se provee en la parte inferior de cada primer par de soportes extensibles y reducibles, la cual se forma por la unión de, la argolla (10) de la barra vertical (9), un par de argollas (12) que se encuentran soldadas verticalmente en el extremo superior de un tubo superior interno (14), un primer conjunto de cuatro rondanas (11) se inserta entre dichas argollas, y un balero interno se incluye, para permitir la rotación;
v) un segundo par de soportes extensibles y reducible, para sostener el fémur de un usuario, se conforma con el tubo superior interno (14) que tiene perforaciones en sus costados laterales, el cual, se desliza verticalmente en el canal de un perfil superior (13) de medio caño con perforaciones en sus costados laterales también; donde las perforaciones de ambas piezas (13 y 14) están ubicadas de tal manera que coincidan entre si, para permitir la introducción de un medio de fijación;
vi) un primer motor eléctrico convencional del tipo actuador lineal de 30 Kg F (15), se provee en la parte frontal de cada segundo soporte extensible y reducible; para sujetar este primer motor (15), se suelda una primera pieza sujetadora (16) en la parte frontal de la barra vertical (9); donde dicha pieza sujetadora (16) es un pequeño perfil cuadrado de medio caño, con lados laterales triangulares y en su canal se introduce y sujeta el extremo superior del primer motor (15); mientras qué, el extremo inferior del primer motor (15) se afianza en una base (17) soldada en el extremo inferior del tubo interno superior ( 14 ) ;
vii) una segunda rótula o rótula de la rodilla, se provee en la parte inferior de cada segundo par de soportes extensibles y reducibles, la cual se forma por la unión de una argolla (18) fija en la parte inferior del perfil superior (13), un par de argollas (20) soldadas en el extremo superior de un perfil inferior (21) cuadrado de medio caño, un segundo juego de cuatro rondanas (19) y un balero, se incrustan entre dichas argolla (18 y 20), para permitir la rotación;
viii) un tercer par de soportes extensibles y reducibles para sostener a la parte inferior de la pierna de un usuario, cada soporte del tercer par, se constituye del perfil inferior (21) que tiene perforaciones en sus costados laterales, y de un tubo inferior (22) con perforaciones en sus lados laterales, el cual se desplaza verticalmente en el canal del perfil inferior (21), por lo qué, las perforaciones de ambas piezas están en los mismos lados laterales que hace contacto entre si, para •introducir en ellas, un medio de fijación;
ix) un segundo motor eléctrico convencional del tipo actuador lineal de 30 Kg F (23), se provee en la parte posterior de cada tercer soporte extensible y reducible; dicho segundo motor se fija su parte superior en una segunda pieza sujetadora (24) igual a la primera pieza sujetadora (16), pero esta segunda pieza (24) está ubicada en la parte posterior inferior del perfil superior (13); y la parte inferior del segundo motor (23) se asegura en una segunda base (25) ubicada en la parte posterior inferior del perfil inferior (21) ;
x) una tercera rótula o rótula de tobillo se provee en la parte inferior del tercer par de soportes extensibles y reducibles, la cual se forma de la unión de, una argolla (26). soldada en la parte inferior de cada tubo inferior (22) , un par de argollas (28) soldado en un soporte fijo (29), y entre las argollas (26 y 28) se inserta un tercer juego de rondanas (27) y un balero para permitir la rotación;
xi) un soporte fijo (29) que consiste en un soporte metálico que está asegurado en;
xii) una base horizontal (30) y sirve de base para todo el exoesqueleto;
xiii) un motor tipo actuador lineal de 10 Kg F (31) se coloca de manera inclinada, entre la base horizontal (30) y el tubo inferior (22), donde para ello se provee un par de piezas sujetadoras (32 y 32') donde una (32) se fija en la parte frontal inferior del tubo inferior (22) y la otra (32') en el extremo delantero de la base horizontal (30);
xiv) una plantilla (33) se provee en la base horizontal (30) , la cual es una superficie rígida, donde el usuario coloca su pie;
xv) un soporte de espalda (34), se provee en la parte superior del perfil principal (1), donde dicho soporte es un marco metálico; el soporte de espalda (34) se asienta en un par de bases tubulares (35), las cuales consisten, cada una, de un perfil tubular hasta su mitad, dispuesto verticalmente, con perforaciones en sus costados laterales; en los costados laterales del soporte de espalda (34) se provee de una pieza tubular (36) con perforaciones en sus costados que hacen contacto con los costados perforados de la base tubular (35) , ya que dicha pieza tubular (36) es la que se introduce verticalmente en la base tubular (35) ; de tal manera que permite ajustar y fijar la altura, con un medio de fijación, a la que se desea colocar el soporte de la espalda, de acuerdo a la talla del usuario;
xvi) unas tiras flexibles (48), para sujeción, se proveen en la parte frontal del soporte de espalda
(34);
xvii) un soporte de espalda baja (37) se provee en la parte inferior central de perfil principal (1) , el cual es un marco de perfiles; dicho soporte de espalda baja se acojina para brindar un soporte
■ firme y suave a la espalda baja del usuario;
xviii) unos soportes, para las piernas del usuario, que consisten en tiras metálicas (38) ergonómicamente apropiadas para sujetar a la persona que use el exoesqueleto; dichas tiras (38) se fijan horizontalmente en los costados laterales internos, de los perfiles superior (13) e inferior (21);
xix) un sistema eléctrico conformado de: un microprocesador principal (43) que acciona a través de un medio de comunicación a todos los componentes del sistema; sensores magnéticos de posición angular y externa, los cuales se coloca en cada una de las rótulas y constan de un magneto (40), un sensor magnético (41) y una base para el sensor magnético (42); sensores de fuerza (45) en las plantillas
(33); un acelerómetro (no ilustrado) en el respaldo de espalda (34); y un control electrónico en tiempo real (46) . xx) Unas correas se proveen en la base (30) del exoesqueleto', para sujetar los pies del usuario a la planilla ( 33 ) .
2. El exoesqueleto mecánico de la reivindicación anterior, donde los motores son eléctricos, hidráulicos, electromecánicos, o neumáticos o de cualquier otro tipo de actuador que genere un movimiento lineal con fuerza de 10 a superior a30 Kg F.
3. El exoesqueleto, de acuerdo con la reivindicación 1, donde le medio de fijación es un perno o tornillo.
4. El exoesqueleto mecánico según las reivindicaciones anteriores, donde el número y distribución de las tiras metálicas (38) es según la talla del usuario.
5. El exoesqueleto según las reivindicaciones anteriores, que comprende además, correas de sujeción (no ilustradas), junto >á las tiras metálicas (38) para mantener a la persona unida al exoesqueleto.
6. El exoesqueleto de conformidad con las reivindicaciones anteriores, donde el- 'medio de comunicación entre el microprocesador (43) y los demás componentes del sistema eléctrico, es un cable (44) .
7. El exoesqueleto mecánico, tal y como se reclama en las reivindicaciones precédentes, donde las piezas que conforman la estructura' del exoesqueleto, son metálicas y tubulares, preferentemente de acero; aunque pueden hacerse de cualquier -material resistente y que sea liviano .
El . exoesqueleto mecánico de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además, dos bastones o muletas (49),· donde se coloca el control electrónico en tiempo real (46), dichos medios de control son 'comunicados -por medio de cables (47), aunque puede comunicarse de otra manera, tal como la via remota; en el .mango de uno de los bastones se coloca el botón para elegir la función o actividad, de levantarse, sentarse, subir escaleras, bajar escaleras, caminar hacia delante, hacia' atrás y cualquier otra actividad que desee hacer con sus piernas; mientras que en el mango del otro bastón se coloca el botón para ordenarle al exoesqueleto avanzar o detenerse.
El exoesqueleto de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además, una tapas (39) en cada uno. de los motores para cubrirlos.
El exoesqueleto según las reivindicaciones anteriores, donde , el perfil principal (1) es discontinuo o dicho de otra manera, es conformado por dos tramos de perfiles.
El .exoesqueleto mecánico, de conformidad con las reivindicaciones^ precedentes , donde el animal bípedo es un humano .
12. El exoesqueleto mecánico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el humano tiene una altura de 1 a 1.89 m; y diferentes tallas de cintura.
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