ES2575255B1

ES2575255B1 - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano

Info

Publication number: ES2575255B1
Application number: ES201431763A
Authority: ES
Inventors: Elena García Armada; Manuel Javier CESTARI SOTO; Daniel SANZ MERODIO; Xavier CARRILLO DE HIJES
Original assignee: Marsi Bionics Sl; Marsi Bionics S L; Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC; Universidad Politecnica de Madrid
Current assignee: Marsi Bionics Sl; Marsi Bionics S L; Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC; Universidad Politecnica de Madrid
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2017-04-06
Anticipated expiration: 2034-11-27
Also published as: US11324653B2; ES2575255A1; DK3225363T3; EP3225363B1; US20170340504A1; WO2016083650A1; EP3225363A1; EP3225363A4

Abstract

Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano.#La presente invención se refiere a un exoesqueleto para asistencia al movimiento humano ajustable al usuario en dimensiones, tensiones y rangos articulares, pudiendo ser este ajuste manual o automático, donde su colocación en el usuario puede ser en la dirección anterioposterior en el plano sagital, pudiendo colocarse desde tumbado o sentado sin necesidad de transferencia funcional, donde el exoesqueleto presenta un diseño modular, compatible con la biomecánica humana y que reproduce un movimiento natural y fisiológico en el usuario, con hasta 7 grados de movilidad actuados y controlados por extremidad, garantizando la estabilidad del equilibrio del usuario durante la locomoción.

Description

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EXOESQUELETO PARA ASISTENCIA AL MOVIMIENTO HUMANO

D E S C R I P C I O N

OBJETO DE LA INVENCION

La presente invention se refiere a un exoesqueleto para asistencia al movimiento humano ajustable al usuario en dimensiones, tensiones y rangos articulares, pudiendo ser este ajuste manual o automatico, donde su colocation en el usuario puede ser desde adelante hacia atras en la direction anterio-posterior en el plano sagital, pudiendo colocarse desde tumbado o sentado sin necesidad de transferencia funcional del usuario al exoesqueleto.

El objeto de la invencion es un exoesqueleto para asistencia al movimiento humano que presenta un diseno modular, compatible con la biomecanica humana y que reproduce un movimiento natural y fisiologico en el usuario, con hasta 7 grados de movilidad actuados y controlados por extremidad, garantizando la estabilidad del equilibrio del usuario durante la locomotion sin hacer uso de elementos auxiliares de sustentacion.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

Las personas con afecciones neurologicas discapacitantes, como lesiones medulares, enfermedades neuromusculares, paralisis cerebral, etc., sufren afectacion parcial o total de la movilidad y en muchos casos tienen afectacion sensorial. El trastorno en la movilidad afecta a la independencia funcional para realizar las actividades de la vida diaria, y afecta negativamente a diversas funciones fisiologicas basicas provocando, entre otras, incontinencia urinaria y fecal, disfuncion sexual y problemas cardiovasculares. El impacto social conlleva muchas veces la perdida del empleo, la separation de la pareja, entre otros. El conjunto repercute ademas en la autoestima de la persona y provoca severos problemas psicologicos.

La rehabilitation neurologica persigue la reeducation muscular y el entrenamiento para la marcha, haciendo uso de ortesis, bastones, muletas, andadores y otros dispositivos ortopedicos. Los metodos de rehabilitacion pueden mejorarse haciendo uso de dispositivos ortesicos activos, basados en la robotizacion de las ortesis pasivas mediante la actuation de sus articulaciones con motores controlados para generar el movimiento natural de la marcha

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humana. Estos dispositivos pueden estar limitados al movimiento sobre una cinta movil, como parte de la maquinaria de rehabilitacion de un centro hospitalario, o pueden ser portables, permitiendo en este ultimo caso la rehabilitacion diaria en el domicilio, e incluso idealmente podrla sustituir a la silla de ruedas en la vida diaria, permitiendo recuperar funciones fisiologicas basicas, e incluso facilitando la reinsertion laboral y social del paciente.

Estos ultimos dispositivos, ortesis activas portables, o tambien denominados exoesqueletos vestibles (del ingles Wearable Exoskeleton), son dispositivos mecanicos, formados por segmentos rlgidos unidos entre si mediante articulaciones motorizadas que se acoplan a las extremidades de un usuario mediante abrazaderas posteriores generalmente rlgidas, fabricadas a medida del paciente, y sujetas a las extremidades del usuario mediante cintas con velcro o hebillas. La estructura mecanica suele fabricarse a la medida de un paciente y carece de flexibilidad para el uso en otros pacientes o incluso en el mismo usuario cuando la enfermedad haya evolucionado significativamente. Son por lo tanto dispositivos intransferibles y de corto plazo de uso. Utilizando tecnicas de control automatico de motores, estos exoesqueletos se controlan para generar un movimiento articular equivalente al de una persona sana, y transmitir dicho movimiento a la extremidad a la que estan acoplados. La fuente de energla necesaria para alimentar los motores y la electronica deben incluirse a bordo y generalmente se situan en la espalda del dispositivo, lo que suele ser un obstaculo para sentarse o tumbarse con el exoesqueleto, aparte de dificultar significativamente la recarga o reemplazo de las baterlas.

Uno de los principales retos tecnologicos a los que se enfrentan los exoesqueletos vestibles es encontrar el compromiso entre una estructura ligera y poco voluminosa que facilite el manejo por parte de un usuario, que generalmente presenta debilidad muscular, y por el otro lado un sistema robotico que implemente un modelo biomecanico completo fisiologicamente. Lo segundo se consigue aumentando el numero de grados de movilidad de la estructura robotica, para asemejarla al modelo biomecanico humano, pero el peso y volumen que los actuadores y sistemas de transmision van imprimiendo a la estructura se multiplica con el numero de articulaciones activas y el resultado es una estructura mecanica demasiado pesada para ser funcional. La cuestion es, mientras no se desarrollen actuadores con la relation potencia/peso elevada que se requiere para conseguir este doble objetivo, cual de ellos debe primar. Evidentemente, si se trata de desarrollar dispositivos que permitan la rehabilitacion neuromuscular de las extremidades de un paciente, el movimiento que

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rehabilite el dispositivo debe ser compatible con la biomecanica humana. Generar otro tipo de movimientos puede ser a la larga perjudicial para el sistema neuromuscular. La biomecanica indica que la pierna de un humano puede modelarse con 7 grados de movilidad, sin embargo en el estudio de la locomocion, aparece un grado de libertad adicional: la rotacion de rodilla al finalizar la fase de apoyo. Asl pues, un modelo de 8 grados de libertad se ajusta de forma optima a la biomecanica humana.

1. Flexion/extension de cadera

2. Abduccion/aduccion de cadera

3. Rotacion de cadera

4. Flexion/extension de rodilla

5. Rotacion de rodilla

6. Flexion/extension del tobillo

7. Eversion/inversion de tobillo

8. Rotacion de tobillo

Es evidente que cuanto mas se aproxime el modelo mecanico del exoesqueleto a estos grados de libertad o movilidad, mas natural y fisiologicamente sana sera la marcha imprimida en el paciente. Pero ademas hay que destacar que algunos de estos grados de libertad tienen un papel fundamental en el movimiento humano. El movimiento sincronizado de flexion/extension de las tres articulaciones en el plano sagital genera la marcha en este plano. Quiza el mas significativo sea el papel de dos de los grados de libertad del tobillo:

En el movimiento de flexion plantar o flexion del tobillo intervienen 7 musculos: soleo, gastrocnemio, peroneo lateral corto y largo, tibial posterior y flexores largos de los dedos, que junto con el tendon de Aquiles son capaces de imprimir una potencia de unos 500 W (para un varon de 70 kg de peso) en el momento de despegue del pie del suelo. Esta energla la utiliza el cuerpo no solo para despegar el pie del suelo e impedir cualquier choque durante la fase de transferencia del pie hacia adelante, sino que esa energla propulsa a todo el centro de masas hacia adelante. Sin ella la marcha pierde su balance energetico natural y tambien la capacidad de mantener el equilibrio antero-posterior del cuerpo.

Los movimientos en el plano transversal, aunque no tienen una amplitud tan notable como los movimientos en el plano sagital, tambien cobran una funcion relevante. El movimiento de abduccion/aduccion de la cadera permite balancear el peso del cuerpo de una pierna a la

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otra durante la fase de doble apoyo, al tiempo que permite el cambio de direction durante la marcha. El movimiento de eversion/inversion del tobillo permite el equilibrio del cuerpo en el plano lateral.

La mayorla de los exoesqueletos conocidos sacrifican la funcion locomotriz en favor de un diseno de baja complejidad y coste. El documento US7153242B2 describe un exoesqueleto de miembro inferior realizado en base a segmentos rlgidos y abrazaderas, unidos por dos articulaciones rotacionales en cada pierna, una en cadera y otra en rodilla, que se comandan mediante actuadores lineales o rotacionales, generando movimiento unicamente en el plano sagital y confiriendo una movilidad de dos grados de libertad por cada pierna, lo que no permite movimientos laterales ni estabilizacion del equilibrio del usuario durante de la marcha. El exoesqueleto incorpora una articulation pasiva de tobillo, con un muelle para realizar la dorsiflexion durante la fase de transferencia del pie y evitar el choque contra el suelo. La option de accionar pasivamente el tobillo tiene efectos negativos en la generation de la marcha, ya que impide cualquier capacidad motora en el tobillo en el impulso previo a la fase de transferencia del pie.

Este exoesqueleto requiere el uso de muletas para mantener la estabilidad o equilibrio del paciente en la locomotion, y deja a cargo del usuario cualquier movimiento en el plano lateral, como los cambios de direccion o incluso la distribution del peso de una pierna a la otra en el cambio de apoyo. Esto restringe su uso a pacientes con fuerza muscular en los brazos y movilidad lateral en el tronco. El movimiento se comanda mediante movimientos toracicos en el plano sagital del usuario, por lo que tambien se limita su uso a pacientes con esta capacidad de movimiento. Se trata, por tanto de un dispositivo exclusivamente para uso en lesionados medulares por debajo de la sexta dorsal (T6), con paraplejia. La fuente de energla se situa en la parte posterior del dispositivo, quedando en la espalda del paciente, mientras que las unidades electronicas se situan en la parte frontal. El dispositivo puede generar diversos patrones de movimiento: marcha en suelo llano y llnea recta, subir o bajar escaleras, y transiciones de sentado a de pie y viceversa, pero todos los programas de marcha se graban para un paciente en particular y se reproducen en los actuadores, impidiendo cualquier capacidad de adaptation del paso diferente a lo pre-establecido. Posteriores mejoras de esta invention, descritas en los documentos US2012/0101415A1 y US8096965B2 anaden el posible uso combinado con Estimulacion Funcional Electrica (FES por sus siglas en ingles) y un modulo de seguridad que revisa el estado de todos los componentes electronicos para prevenir cualquier fallo de funcionamiento.

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Los documentos US7947004B2 y US8057410B2 describen un exoesqueleto muy similar, aunque incorpora algunas mejoras importantes. Aunque tambien tiene unicamente dos grados de libertad actuados por pierna en el plano sagital, este exoesqueleto incorpora articulaciones pasivas en cadera y tobillo en el plano lateral, que permiten un leve movimiento de abduccion y aduccion, e incorpora un muelle torsional en el segmento superior de la pierna, permitiendo una leve rotacion de cadera, lo que a su vez repercute en una mayor comodidad del usuario durante la marcha y mejor adecuacion de la ortesis a las caracterlsticas flsicas del paciente. Aun asl, la falta de grados de libertad actuados repercute en una marcha insuficiente desde el punto de vista medico, ya que restringe el movimiento controlado al plano sagital, impide el control del equilibrio, por lo que requiere de elementos adicionales de sustentacion como bastones, y anula el aporte energetico de la articulacion del tobillo en el impulso previo a la fase de transferencia del pie. Este exoesqueleto se puede acoplar al zapato del usuario, bien por el exterior, bien por el interior a modo de plantilla que se introduce en el zapato aunque esto suele requerir la modification del calzado. La marcha se controla de forma articular en base a patrones pregrabados, y las fases del ciclo de locomotion se distinguen mediante sensores bajo los pies que determinan la fuerza de reaction del suelo.

La articulacion de la rodilla se modela en biomecanica como una unica rotacion en el plano sagital. Sin embargo esta es una simplification que elimina algunas de las funciones de esta articulacion que es una de las mas complejas del cuerpo humano, siendo realmente una capsula compuesta por tres articulaciones: articulacion femurotibial (entre los condilos del femur y la tibia), articulacion femurotuliana (entre la troclea del femur y la cara articular de la rotula) y la articulacion tibioperonea proximal. Aunque el principal movimiento de la rodilla es la flexion-extension en el plano sagital, las dos ultimas articulaciones de la rodilla permiten que la rotula se deslice ligeramente arriba o abajo y de interior a exterior. Para incorporar estos movimientos, algunos modelos biomecanicos mas realistas incorporan un eje policentrico en el plano sagital que se desplaza mediante un mecanismo de cuatro barras.

La articulacion del tobillo en el plano sagital tiene un papel fundamental en la marcha humana. Es la que proporciona la mayor potencia instantanea al cuerpo humano durante la fase de impulso al despegarse el pie del suelo y proceder a la fase de transferencia de la pierna hacia adelante. Los dispositivos conocidos incorporan un sistema elastico que unicamente flexiona el tobillo para despejar el pie del suelo y evitar que choque con el mismo durante la transferencia. Pero esto elimina el aporte energetico que el cuerpo

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necesita para mantener la locomocion de forma energeticamente eficiente.

La solicitud internacional WO2012/027336A1 incluye funciones operacionales de levantarse y sentarse, ademas de una maquina de estados para el control de la transicion entre estas funciones y el modo de caminar, y completa el dispositivo con un elemento de soporte auxiliar (andador o muletas) para proporcionar la estabilidad lateral que el exoesqueleto no proporciona. Incorpora en estos dispositivos auxiliares unos mandos o joysticks que permiten comandar la velocidad del exoesqueleto. La comunicacion entre el exoesqueleto y el dispositivo auxiliar es inalambrica. Finalmente, contempla la incorporation de interfaz cerebral para el comando del exoesqueleto, y un sistema de reconocimiento de voz.

El documento US2011/0066088A1 describe un exoesqueleto de miembro inferior con cinco grados de libertad por pierna, incluyendo actuation sagital y lateral en el tobillo y en la abduccion/aduccion de la cadera, lo que permite el movimiento del paciente tanto en el plano sagital como en el lateral, y ademas permite controlar y mantener la estabilidad del paciente sin necesidad de usar dispositivos auxiliares como muletas o andadores. La estructura mecanica es extensible para ajustarse a la talla del usuario. Las baterlas se colocan en la parte posterior del exoesqueleto, quedando a la altura de los rinones, lo que, aun siendo reemplazables, dificulta esta operation por el propio usuario. Este dispositivo incorpora un arnes pelvico que soporta el peso del paciente, abriendo su uso a pacientes con debilidad osea. El uso de este arnes tiene el inconveniente de inducir una rotacion externa de las caderas, que seguidamente se corrige a la fuerza con los agarres del exoesqueleto en femur y tibia, lo que provoca esfuerzos articulares patologicos. Los arneses pelvicos estan desaconsejados para la marcha. Como elemento biomecanicamente acertado tiene una rodilla de tipo policentrico, mas similar a la rodilla humana (muy utilizada en protesis de rodilla). A pesar de esta caracterlstica, a este diseno le falta la rotation de la cadera, fundamental para imprimir la trayectoria del centro de presion en la planta del pie correspondiente a una marcha sana.

La estructura de este dispositivo incorpora proteccion al agua y al polvo. Su sistema sensorial incluye unidades inerciales, medidores opticos incrementales para la posicion articular y sensores de presion en la planta de los pies. Un laser o sensor de distancia permite determinar el perfil del suelo para generar modos de caminar adecuados. Aun siendo el unico exoesqueleto con capacidad de controlar la estabilidad o equilibrio del paciente, el inconveniente de este exoesqueleto es su baja velocidad, no pudiendo alcanzar

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velocidades de marcha superiores a 0.05 m/s, lo que lo hace poco util. Esto se debe a la necesidad de generar pares articulares muy elevados para garantizar la estabilidad del sistema, lo que reduce de forma proporcional la velocidad articular en base a una relacion de transmision, necesaria dado el llmite de potencia de los actuadores.

El documento WO2013/019749A1 describe un exoesqueleto muy generico, de prestaciones muy similares a los anteriormente mencionados, aunque no contempla el control del la estabilidad del conjunto exoesqueleto-usuario entendida como control del equilibrio postural durante la locomocion. La referencia que en el documento se hace al control de estabilidad se refiere a la capacidad del dispositivo para sostener a la persona de pie de forma estatica o bipedestacion, en lo que a las fuerzas requeridas se refiere. Este documento describe ademas el sistema de interfaz entre el usuario y el exoesqueleto, pudiendo realizarse mediante cualquier sistema capaz de adquirir comandos provenientes del usuario.

El documento US2007/0123997A1 describe un diseno de exoesqueleto de miembro inferior buscando el ahorro energetico durante la locomocion. El exoesqueleto se disena con tres grados de libertad por pierna, por lo tanto genera movimiento solo en el plano sagital, pero unicamente utiliza un actuador en la articulation de la cadera. Basandose en estudios de biomecanica se propone en este documento un elemento disipador de energla de tipo amortiguador controlable en la rodilla, y un elemento elastico para actuar el tobillo. La combination de estos tres elementos: motor, amortiguador y muelle genera un patron de marcha muy similar al biologico, con un consumo energetico mlnimo. Otra novedad es la incorporation de un arnes pelvico rlgido, similar a un sillln de bicicleta, para sustentar el peso del usuario. Esta solution mejora el problema del arnes pelvico convencional.

Existen ademas ejemplos de exoesqueletos portables de asistencia a la locomocion que se componen por una o varias cadenas cinematicas de segmentos y articulaciones de cualquier numero de grados de libertad, la dimension de cuyos segmentos puede ser regulable en longitud, y que se acopla al cuerpo humano y a sus extremidades (piernas, brazos, o segmentos) mediante un sistema de sujecion basado en abrazaderas rlgidas o semi-rlgidas posteriores, correas, cinchas, cierres de velcro, hebillas, etc y pudiendo incluir un cinturon o arnes pelvico o toracico.

Todos estos dispositivos requieren un excesivo ajuste previo por parte de personal especializado, tanto de la estructura mecanica que debe acoplarse perfectamente al usuario,

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como de los metodos de control del movimiento, que se basan en el seguimiento de patrones de referencia espedficos para un paciente. Esta carencia de flexibilidad en los disenos y los metodos de control del movimiento dificulta en gran medida el uso extendido de los exoesqueletos. Por un lado, la fabricacion a la medida del usuario imposibilita una fabricacion en serie y el consecuente abaratamiento del producto final para poder llegar al usuario. Por otro lado, es importante tener en consideration la variabilidad de los smtomas en un mismo usuario a lo largo de su vida, y a lo largo de cada jornada. Por ejemplo, un paciente que sufre de espasticidad (rigidez articular) vera reducido prog res ivamente su grado de espasticidad con la rehabilitation diaria, por lo que tendria que cambiar de dispositivo o bien ajustarlo convenientemente a medida que su patologia evoluciona. Segun los profesionales de la rehabilitacion neurologica, la espasticidad de un paciente puede sufrir variaciones significativas durante un ejercicio de rehabilitacion en un corto lapso de tiempo.

Como se ha visto en la revision del estado de la tecnica, ninguna de las realizaciones conocidas es capaz de controlar el equilibrio del conjunto exoesqueleto-usuario durante la marcha a una velocidad normal de paseo. Por este motivo se hace necesario el uso de elementos adicionales como bastones o andadores que ayuden al usuario a mantener el equilibrio. Esto restringe el numero de usuarios potenciales a aquellos que tienen fuerza y movilidad en los miembros superiores, al tiempo que mantiene las manos ocupadas impidiendo utilizarlas para cualquier otra funcion. Es deseable que el exoesqueleto mantenga el equilibrio de forma controlada sin ayuda de elementos adicionales.

Es necesario disponer de exoesqueletos que se ajusten automaticamente a cada usuario, no solo en dimensiones, sino muy especialmente en prestaciones, en el grado de aportacion de movilidad dependiendo de la movilidad propia del usuario, y en el control del movimiento de cada articulation y de la marcha. Este ajuste no debe requerir de personal especializado y debe de ser lo mas automatico posible, de manera que requiera la minima intervention por parte del usuario o del medico rehabilitador.

Los mecanismos de sujecion y ajuste del exoesqueleto al cuerpo humano son de especial relevancia en la correcta transmision del movimiento al usuario, al tiempo que deben garantizar la salud del mismo, sin oprimir ni causar dano alguno. La mayor parte de los desarrollos mencionados en el estado de la tecnica incorporan abrazaderas rigidas posteriores en las extremidades, ajustables al usuario mediante cierres de velcro. Algunos desarrollos incluyen ademas un arnes pelvico que asegura la transferencia de parte del peso

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del usuario al exoesqueleto. Segun los expertos en fisioterapia, el uso de estos arneses impide la marcha natural, ya que al provocar la apertura de ingles del usuario genera rotacion externa de la cadera, que es artificialmente corregida por el dispositivo al alinear las rodillas. Ambos efectos afisiologicos pueden provocar danos durante la marcha y por tanto el uso del arnes pelvico esta desaconsejado por los especialistas medicos para la marcha.

Todos los exoesqueletos de miembro inferior descritos en el estado de la tecnica requieren de transferencia funcional del usuario desde su silla de ruedas o desde la cama hasta el exoesqueleto. Esto impide la autonomla e independencia del usuario en su uso diario. Esto se debe principalmente a los mecanismos de sujecion del exoesqueleto al cuerpo del usuario, que presentan abrazaderas rlgidas en la parte posterior de muslo y espinilla para garantizar la sustentacion del miembro. Ademas, el refuerzo lumbar, que es indispensable en cualquier ortesis de tronco a pie por determination medica, esta situado en la parte posterior del exoesqueleto. Por esto no es posible colocar el exoesqueleto desde la position anterior hacia la posterior ya que tanto el refuerzo lumbar como las abrazaderas se interponen.

La estructura mecanica del exoesqueleto debe permitir y nunca impedir la posicion fisiologica normal de los ejes longitudinales de las partes que se acoplan a las extremidades inferiores del usuario. Los pies, en posicion fisiologica en bipedestacion forman un angulo entre si, de manera que durante la marcha, la distancia entre los talones en el plano lateral es muy pequena y aproximadamente un tercio de la distancia entre las puntas de los pies. Para que esto se cumpla de forma normal, el angulo cervico diafasario del cuello del femur y el angulo condilar formado entre femur y tibia tienen unos valores normales.

Pero ademas, puesto que se trata de exoesqueletos de ayuda a la rehabilitacion de pacientes con marcha afisiologica, la estructura mecanica debe permitir el ajuste en personas con anomallas anatomicas, como son las caderas con angulos cervico-diafasarios anomalos o las rodillas vara y valga.

Ninguno de los dispositivos conocidos en el estado de la tecnica cumple esta funcion anatomica, presentando angulos cervicos de 90° y angulos condiliares de 0°, que en ningun caso se corresponden con una marcha fisiologica y por lo tanto generaran una marcha anomala en pacientes sin anomalla y no podran utilizarse en pacientes con anomalla.

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El exoesqueleto para asistencia al movimiento humano de la presente invention resuelve todos los inconvenientes citados anteriormente.

DESCRIPCION DE LA INVENCION

La presente invencion se refiere a un exoesqueleto para asistencia al movimiento humano, ajustable al usuario en dimensiones, tensiones y rangos articulares, pudiendo ser este ajuste manual o automatico, donde su colocation en el usuario puede ser desde adelante hacia atras en la direction anterio-posterior en el plano sagital, pudiendo colocarse desde tumbado o sentado sin necesidad de transferencia funcional del usuario al exoesqueleto. El exoesqueleto presenta un diseno modular, compatible con la biomecanica humana y que reproduce un movimiento natural y fisiologico en el usuario, con hasta 7 grados de movilidad actuados y controlados por extremidad, garantizando la estabilidad del equilibrio del usuario durante la locomotion sin hacer uso de elementos auxiliares de sustentacion.

El exoesqueleto para asistencia al movimiento humano de la presente invencion comprende una estructura mecanica que comprende segmentos unidos por articulaciones que permiten el movimiento relativo entre dos o mas segmentos sucesivos para mover las extremidades del usuario. Dicha estructura mecanica es modular, es decir, puede constituirse por una o dos extremidades independientes y acoplables, y a las que se puede acoplar cualquier otro dispositivo como brazo robotico, herramienta, o incluso otro exoesqueleto de miembro superior. Cada modulo esta formado por una o varias cadenas cinematicas de los citados segmentos y articulaciones. Los segmentos son regulables no solo en longitud, sino tambien en anchura, pudiendo adaptarse a un amplio rango de usuarios atendiendo a su constitution flsica.

La estructura mecanica puede ser rlgida, semi-rlgida o flexible, y puede ser fabricada en diferentes materiales como metal, fibra, vidrio, madera, textil, plastico, o cualquier variante o combination de ellos. Ademas puede incorporar una o varias carcasas de material rlgido, semi-rlgido o blando, de cualquier material, a modo de embellecedor o como sistema de aislamiento del entorno o protector del exoesqueleto, o del usuario. La estructura puede incorporar, ademas de, o en sustitucion de las carcasas, un tratamiento superficial, como pintura, anticorrosivo, antioxidante, etc.

La estructura mecanica, formada por segmentos y articulaciones, como se ha comentado

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anteriormente, comprende una articulacion de abduccion/aduccion en la cadera, regulable mediante un actuador controlado por un sistema de control articular que permite obtener un rango de angulos cervico-diafasarios dentro de los rangos deseables para pacientes con marcha afisiologica, debidas a anomallas anatomicas, como son las caderas con angulos cervico-diafasarios anomalos.

La estructura mecanica comprende ademas un mecanismo de ajuste condiliar que permite ajustar de forma pasiva el angulo condilar formado entre femur y tibia para adaptarlo a usuarios con anomallas anatomicas como rodillas vara o valga.

Como se ha descrito anteriormente, las articulaciones que unen los segmentos de la estructura mecanica permiten el movimiento relativo entre dos o mas segmentos sucesivos a traves de elementos activos, resistivos, pasivos, o una combination de estos. Estas articulaciones pueden ser coaxiales a las articulaciones del usuario o no, y su numero puede coincidir con el numero de grados de movilidad de las articulaciones humanas o no. En cualquier caso, su finalidad es la de mover las articulaciones del usuario confiriendole una marcha natural. Para ello, y de acuerdo con recomendaciones de especialistas medicos, son fundamentales los siguientes grados de movilidad:

- Flexion y extension de la cadera mediante rotation en el plano sagital.

- Abduction aduccion de la cadera mediante rotacion en el plano lateral.

- Rotacion de la cadera mediante rotacion en el plano transversal.

- Flexion y extension de la rodilla mediante rotacion en el plano sagital.

- Flexion y extension del tobillo mediante rotacion en el plano sagital.

- Eversion e inversion del tobillo mediante rotacion en el plano lateral.

Estos 6 grados de movilidad en cada pierna o extremidad inferior son requisito imprescindible para poder generar en el usuario una marcha natural y fisiologicamente sana. En el exoesqueleto de la presente invention, estos 6 grados de movilidad por pierna son actuados. Esta actuacion puede ser monoarticular o multiarticular, es decir, que se pueden utilizar n motores para mover m articulaciones, donde n puede ser mayor, igual o menor que m. Para su implementation se utiliza cualquier sistema de transmision multiarticular: mecanismos de barras, correas, cables, poleas, etc.

La actuation de los principales 6 grados de movilidad es fundamental para poder garantizar el control del equilibrio estable del conjunto exoesqueleto-usuario. Ademas, dos de estas

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articulaciones requieren un trato especial por su funcion biomecanica: la rodilla y el tobillo ambas en el plano sagital:

La articulacion de la rodilla de la presente invention comprende un eje excentrico respecto al cruce de los segmentos superior e inferior, lo que permite una flexion superior a 100°, necesaria para sentarse, y provee de mayor estabilidad en el apoyo.

La articulacion del tobillo en el plano sagital comprende un actuador separado del tobillo del usuario para reducir el momento de inercia de la pierna ya que la potencia maxima que se requiere en el tobillo es aproximadamente de 500 W para un sujeto de 70 kg de peso y esto requerirla un actuador de potencia equivalente que situado en el tobillo provocarla un incremento de peso, volumen y momento de inercia no deseados para un exoesqueleto. La solution propuesta en cambio por dicho actuador transmite el movimiento al tobillo a traves de un mecanismo de barras y un elemento elastico que ejerce traction sobre las barras del mecanismo de barras, para conseguir el requerimiento de potencia sin aumentar el peso y volumen del actuador, contribuyendo de esta manera a la flexion plantar del tobillo constantemente.

Las articulaciones que unen los segmentos de la estructura mecanica del exoesqueleto de la presente invencion comprenden un rango articular regulable y adaptable al rango articular del usuario. Esta regulation puede ser mecanica, electronica, programada o automatica, o cualquier combination de estos tipos.

La estructura mecanica comprende un sistema de actuation formado por unos actuadores que confieren movimiento a las articulaciones que puede ser lineales, rotacionales, o cualquier combinacion de ambos. Su principio de funcionamiento puede ser hidraulico, neumatico, electrico, magnetico, termico o una combinacion de estos. Tambien pueden ser materiales inteligentes, como pollmeros ionicos, elastomeros, piezoelectricos, etc., o un sistema hlbrido entre sistemas convencionales y materiales inteligentes. Estos elementos pueden estar colocados en la estructura mecanica del exoesqueleto, proximos a las articulaciones humanas o en cualquier otra position segun sea conveniente por criterios de funcionalidad. El movimiento, fuerza, o par se transmite desde los actuadores a las articulaciones mediante uno o varios sistemas de transmision como pueden ser engranajes, correas, cables, poleas, husillos, o transmision directa.

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El exoesqueleto comprende un sistema de sujecion que permite llevar a cabo su acoplamiento al cuerpo humano desde la parte anterior del cuerpo, permitiendo su colocacion desde una postura sentada o tumbada sin necesidad de transferencia funcional, donde el sistema de sujecion es regulable y adaptable a la anatomla del usuario y graduable en tension.

El sistema de sujecion comprende un refuerzo lumbar rlgido que comprende a su vez dos o mas segmentos acoplables, dos de los cuales se unen a los segmentos del exoesqueleto mediante uno o mas ejes de rotacion, pudiendo replegarse el refuerzo lumbar mediante sucesivas rotaciones hasta situarse en el plano sagital para permitir la colocacion del exoesqueleto desde la parte anterior del usuario. Una vez acoplado el exoesqueleto al usuario, los segmentos que forman el refuerzo lumbar vuelven a girarse hasta ocupar su posicion funcional lumbar, fijandose todos los segmentos entre si mediante cualquier sistema de acople.

Este modo de colocacion explota la modularidad del diseno del exoesqueleto, pudiendo colocarse de forma independiente cada una de las extremidades y uniendose finalmente a traves del refuerzo lumbar.

El sistema de sujecion comprende ademas un soporte isquiatico cuya funcion es transferir el peso del usuario al exoesqueleto, donde dicho soporte isquiatico es preferentemente una cincha situada bajo los gluteos del usuario, que sustenta parte o todo el peso del usuario y lo transmite a la estructura mecanica. Dicho soporte isquiatico es ajustable, pudiendose graduarse su tension a traves de un mecanismo de tension que puede ser manual o automatico, ademas de ser desmontable, lo que redunda en la facil colocacion del exoesqueleto.

El sistema de sujecion comprende ademas unos dispositivos de sujecion para la fijacion del exoesqueleto a las piernas del usuario, siendo no rlgidos en su parte trasera para no estorbar en la colocacion del exoesqueleto al cuerpo humano desde la parte anterior del cuerpo.

El sistema de sujecion comprende ademas un dispositivo de anclaje al zapato del usuario.

El exoesqueleto comprende un sistema de potencia a bordo que provee de energla al

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sistema de actuation y a un sistema de computation. El sistema de potencia a bordo puede estar formado por baterias, pilas de combustible, generadores de alterna, sistema hidraulico, sistema electro-hidraulico, sistema piezo-hidraulico, sistema neumatico, sistema piezo- neumatico, o cualquier combination de estos sistemas. El sistema de potencia a bordo puede ser modular, de manera que se alimente de forma independiente cada uno de los modulos de los que se compone el exoesqueleto. Asi, un exoesqueleto formado por dos extremidades inferiores puede incluir al menos dos modulos de potencia, colocandose en la parte lateral de las extremidades, de manera que no estorbe al usuario para apoyar su espalda o tumbarse y que al mismo tiempo sea facilmente accesible para su reemplazo o recarga.

El exoesqueleto comprende un sistema sensorial que monitoriza el movimiento del exoesqueleto, que depende del estado del propio exoesqueleto, del usuario, de la interaccion del usuario con el exoesqueleto y del entorno en cada instante. Este sistema comprende:

a. Un subsistema propioceptivo, que determina instantaneamente el estado del robot,

b. Un subsistema fisiologico, que determina mediante biomarcadores el estado del usuario,

c. Un subsistema estereoceptivo, que determina instantaneamente o en un periodo de tiempo el estado del entorno,

d. Un subsistema perceptivo de la interaction exoesqueleto-usuario-entorno y que determina el estado de la interaction mutua entre los tres subsistemas anteriores,

pudiendo incluirse todos, alguno o cualquier combination de estos subsistemas. Para ello, el sistema sensorial se compone de combinaciones de elementos sensoriales de naturaleza fisica, mecanica, quimica o biologica o de cualquier otra naturaleza, como pueden ser sensores de fuerza, par, presion, posicion, velocidad, laseres, camaras, goniometros, sensores electromiograficos, sensores de actividad ocular, sensores de actividad cerebral, medidores de frecuencia cardiaca y respiratoria, espirometro entre otras opciones.

El exoesqueleto comprende un sistema de control de movimiento que recibe la information proveniente del sistema sensorial, y que se compone de uno o varios de los siguientes subsistemas:

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a. Sistema de control articular.

b. Sistema de control de extremidad.

c. Sistema de control del centro de masas del conjunto exoesqueleto-usuario.

El exoesqueleto comprende ademas un sistema interfaz de usuario que interpreta la intencion de movimiento del usuario y transmite esta information al sistema de control de movimiento. Este sistema interfaz de usuario puede estar formado por un joystick, tablet, telefono movil, pantalla tactil, teclado, raton, microfono, camara, lector de movimiento ocular, sensores electromiograficos (EMG por sus siglas en ingles), interfaces cerebrales (BCI por sus siglas en ingles),interfaces oculares (EOG por sus siglas en ingles) sensores de fuerza o par, sensores de presion, sensores de movimiento inercial (IMU por sus siglas en ingles), sensores de posicion, de velocidad, de angulo, de inclinacion, etc, o cualquier combinacion de estos dispositivos, e incluye la electronica y el procesamiento de la informacion requerido por la interfaz para capturar la intencion de movimiento del usuario.

El exoesqueleto comprende una o varias unidades de procesamiento a bordo que llevan a cabo todo el procesamiento computacional de uno o varios de los sistemas sensorial, de control de movimiento del usuario y de interfaz de usuario. Las unidades de procesamiento pueden estar basadas en cualquier tipo de procesador, microprocesador, dispositivo semiconductor basado en logica (FPGA por sus siglas en ingles) o cualquier combination de estos.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

Para complementar la description que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracterlsticas de la invention, se acompana como parte integrante de dicha descripcion, un juego de dibujos en donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figuras 1a a 1c.- Muestra una realization de un exoesqueleto de extremidad inferior con un usuario, en tres vistas: perfil, frente y perspectiva respectivamente. En ellas se senalan los elementos del sistema de sujecion del usuario al exoesqueleto.

Figura 2.- Muestra el soporte isquiatico en la vista de la izquierda, y un sistema de regulacion manual para el mismo en el detalle de la derecha.

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Figuras 3a a 3d y 4a a 4c.- Muestra en detalle el proceso de replegado del refuerzo lumbar rlgido.

Figura 5.- Muestra los grados de movilidad articular y los actuadores correspondientes para una realizacion de un exoesqueleto de extremidad inferior de 6 grados de libertad por pierna.

Figuras 6a y 6b.- Muestran una variante de la invencion, con un grado de libertad extra que permite la rotacion de la rodilla en diferentes posiciones.

Figura 7a - Muestra en detalle el anclaje del exoesqueleto a los zapatos.

Figura 7b - Muestra un detalle del mecanismo de barras y elemento elastico que complementa al actuador de la articulacion del tobillo.

Figura 8.- Muestra una vista lateral de un exoesqueleto de extremidad inferior y senala un actuador de impedancia variable y controlable en la rodilla.

Figura 9. Muestra un diagrama del sistema de control.

Figuras 10a y 10b. Muestran la estructura mecanica adaptada a la anatomla normal y a la anomala, con detalle del mecanismo de ajuste condiliar en diferentes posiciones.

Figuras 11a y 11b. Muestran una variante de la invencion para el ajuste del angulo condiliar, haciendo uso de un mecanismo de cuatro barras en diferentes posiciones.

REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION

A continuation se describe de manera detallada el exoesqueleto para asistencia al movimiento humano de la presente invencion.

El exoesqueleto comprende una estructura mecanica modular que comprende segmentos unidos por articulaciones. Dicha estructura mecanica comprende una articulacion de abduccion/aduccion en la cadera (32), regulable mediante un actuador (42) que permite obtener un rango de angulos cervico-diafasarios dentro de los rangos deseables para

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pacientes con marcha afisiologica, debidas a anomalias anatomicas, como son las caderas con angulos cervico-diafasarios anomalos.

La estructura mecanica comprende ademas un mecanismo de ajuste condiliar (18) que permite ajustar de forma pasiva el angulo condiliar formado entre femur y tibia para adaptarlo a usuarios con anomalias anatomicas como rodillas vara o valga. En las Figuras 10a y 10b se muestra un primer ejemplo de realization de dicho mecanismo de ajuste condiliar (18) que comprende un segmento proximal (150) adyacente a una articulation de rodilla (105) y un segmento distal (151) mas alejado a la articulacion de rodilla, donde el segmento proximal (150) es de menor longitud y se introduce en el segmento distal (151), y donde ambos segmentos (150, 151) se unen mediante un pin (152) dispuesto en direction perpendicular a la tibia del usuario y en la direccion de avance, donde la regulation del angulo condiliar se lleva a cabo mediante un mecanismo roscado dispuesto en el extremo inferior del segmento distal. En la Figura 10a se muestra la estructura mecanica del exoesqueleto para un usuario sin anomalla y en la Figura 10b se muestra la estructura mecanica ajustada para un usuario con coxa vara y genu valgo.

El exoesqueleto comprende 6 grados de movilidad en cada pierna que son actuados. Estos grados de movilidad son los siguientes:

- Flexion y extension de la cadera (31) mediante rotation en el plano sagital;

- Abduccion-aduccion de la cadera (32) mediante rotacion en el plano lateral;

- Rotacion de la cadera (33) mediante rotacion en el plano transversal;

- Flexion y extension de la rodilla (34) mediante rotacion en el plano sagital;

- Flexion y extension del tobillo (35) mediante rotacion en el plano sagital;

- Eversion e inversion del tobillo (36) mediante rotacion en el plano lateral;

actuados cada uno mediante un actuador (41, 42, 43, 44, 45, 46) respectivamente.

El grado de movilidad para llevar a cabo la flexion y extension de la rodilla (34) mediante rotacion en el plano sagital se define debido a que la estructura mecanica comprende un eje (120) excentrico respecto al cruce de un segmento superior (121) y un segmento inferior (122), eje (120) excentrico actuado por el actuador (44) correspondiente, lo que permite una flexion superior a 100°, necesaria para sentarse, y provee de mayor estabilidad en el apoyo, tal y como se muestra en la Figura 1.

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En las Figuras 11a y 11b se muestra un segundo ejemplo de realization donde el mecanismo de ajuste condiliar (18) comprende un mecanismo de 4 barras (110), dispuesto debajo de la articulation de la rodilla (105). De esta manera el segmento superior (121) se desfasa, aunque se mantiene paralelo al segmento interior (122), variando el angulo condiliar y ajustandolo al usuario.

El grado de movilidad para llevar a cabo la flexion y extension del tobillo (35) mediante rotation en el plano sagital comprende un actuador (45) separado del tobillo del usuario que transmite el movimiento al tobillo a traves de un mecanismo de barras (47) y un elemento elastico (48) que ejerce traction sobre las barras del mecanismo de barras (47), donde el efecto del elemento elastico es contribuir a la flexion plantar del tobillo constantemente. El funcionamiento combinado de actuador (45) y elemento elastico (48) es el siguiente: durante el apoyo, el peso del usuario y la action del actuador (45) superan el par antagonico que genera el elemento elastico (48) y la fase se ejecuta con normalidad. Al alcanzarse la fase de despegue desaparece el efecto del peso del usuario, al tiempo que se suman las acciones de elemento elastico (48) y actuador (45) a favor de la flexion plantar, lo que genera la potencia instantanea requerida para el impulso. Durante la fase de transferencia del pie el actuador (45) tiene potencia suficiente para contrarrestar el efecto del elemento elastico (48) y generar la flexion dorsal del tobillo para evitar el choque con el suelo. La Figura 7b detalla una implementation de la articulacion del tobillo y su position durante la fase de apoyo y durante el impulso.

El exoesqueleto comprende un sistema de sujecion (2) que permite llevar a cabo su acoplamiento al cuerpo humano desde la parte anterior del cuerpo, permitiendo su colocation desde una postura sentada o tumbada sin necesidad de transferencia funcional.

El sistema de sujecion (2) comprende un refuerzo lumbar rlgido (20) que comprende a su vez dos o mas segmentos acoplables (21), tal y como se muestra en las Figuras 3a a 3d, dos de los cuales se unen a los segmentos del exoesqueleto mediante uno o mas ejes de rotacion (22), donde el refuerzo lumbar rlgido (20) se repliega mediante sucesivas rotaciones hasta situarse en el plano sagital para permitir la colocacion del exoesqueleto desde la parte anterior del usuario. Una vez acoplado el exoesqueleto al usuario, los segmentos que forman el refuerzo lumbar rlgido (20) vuelven a girarse hasta ocupar su posicion funcional lumbar, fijandose todos los segmentos entre si mediante un sistema de acople (23). Las Figura 4a a 4c muestran una vista del refuerzo lumbar rlgido (20) en dos

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posiciones diferentes: la Figura 4a muestra la posicion natural de funcionamiento del refuerzo lumbar (20), en la que ambos segmentos acoplables (21) se encuentran conectados y ocupan la parte trasera del exoesqueleto. Las Figuras 4b y 4c muestran la secuencia de replegado hasta que ambos segmentos acoplables (21) se encuentran totalmente recogidos paralelamente al plano sagital, dejando completamente libre el espacio interior del exoesqueleto para proceder a su colocacion desde la parte anterior del usuario.

Este modo de colocacion explota la modularidad del diseno del exoesqueleto, pudiendo colocarse de forma independiente cada una de las extremidades y uniendose finalmente a traves del refuerzo lumbar rlgido (20) y el resto de componentes del sistema de sujecion (2).

El sistema de sujecion (2) comprende ademas un soporte isquiatico (25) cuya funcion es transferir el peso del usuario al exoesqueleto, donde dicho soporte isquiatico es preferentemente una cincha situada bajo los gluteos del usuario, que sustenta parte o todo el peso del usuario y lo transmiten a la estructura mecanica, tal y como se muestra en la Figura 2. Dicho soporte isquiatico (25) es ajustable, pudiendose graduarse su tension a traves de un mecanismo de tension (26) que puede ser manual o automatico, ademas de ser desmontable, lo que redunda en la facil colocacion del exoesqueleto. Para no estorbar en la colocacion del exoesqueleto, el soporte isquiatico (25) puede abrocharse y desabrocharse, dependiendo de la forma de colocacion del exoesqueleto.

El soporte isquiatico (25) puede tambien realizarse mediante musleras de termoplastico especialmente en aquellos pacientes con deficit de densidad osea como osteoporosis.

El sistema de sujecion (2) comprende ademas unos dispositivos de sujecion, preferentemente abrazaderas, para la fijacion del exoesqueleto a las piernas del usuario, siendo no rlgidos en su parte trasera para no estorbar en la colocacion del exoesqueleto al cuerpo humano desde la parte anterior del cuerpo.

El sistema de sujecion comprende ademas un dispositivo de anclaje al zapato (28) del usuario, que se lleva a cabo de forma permanente, mediante remaches u otro sistema de fijacion, o de forma desmontable mediante tornillos u otro medio de ajuste, bien por la parte interior del zapato o bien por la parte exterior. Puesto que la mayorla de los pacientes precisan del uso de calzado ortopedico especializado, no es recomendable el uso de exoesqueletos con suela, a la que se ajuste el zapato del usuario, sino que es preferible que

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la estructura mecanica se ancle directamente sobre la suela natural del calzado, para no interferir en la patologia del pie. Las figuras 7a y 7b muestra un ejemplo de realization del anclaje del exoesqueleto al zapato del usuario, en la que se utiliza una sujecion de tipo abrazadera en la parte del talon de la suela y se agarra mediante tornillos o remaches (28).

El exoesqueleto comprende un sistema de potencia a bordo (13) que provee de energia a un sistema de actuation formado por los actuadores (41, 42, 43, 44, 45, 46) que comprende la estructura mecanica y a un sistema de computation (14).

El exoesqueleto comprende ademas un sistema sensorial a bordo (3) que monitoriza el movimiento del exoesqueleto y comprende:

e. Un subsistema propioceptivo (4), que determina instantaneamente el estado del robot,

f. Un subsistema fisiologico (5), que determina mediante biomarcadores el estado del usuario,

g. Un subsistema estereoceptivo (6), que determina instantaneamente o en un periodo de tiempo el estado del entorno,

h. Un subsistema perceptivo (7) de la interaction exoesqueleto-usuario-entorno y que determina el estado de la interaccion mutua entre los tres subsistemas anteriores (4, 5, 6),

pudiendo incluirse todos, alguno o cualquier combination de estos subsistemas (4, 5, 6, 7).

El exoesqueleto comprende un sistema de control de movimiento (12) que recibe la information proveniente del sistema sensorial a bordo (3), y que se compone de uno o varios de los siguientes sistemas:

a. Sistema de control articular (8).

b. Sistema de control de extremidad (10).

c. Sistema de control del centro de masas del conjunto exoesqueleto-usuario (11).

El sistema de control articular (8) garantiza el movimiento articular deseado en el usuario en base al seguimiento de una senal de referencia que puede ser cualquier magnitud fisica, mecanica o biomecanica como position articular, velocidad, fuerza, par o cualquier derivada o combinacion de ellas, mediante una tecnica de control automatico (Proporcional, Integral,

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Derivativo, control neuronal, control difuso, control heurlstico, control no lineal, control robusto, control optimo, etc., o cualquier combination de ellas).

Dado que la mayorla de los usuarios de exoesqueletos presentan espasticidad, espasmicidad y otras anomallas, se hace necesario adaptar el movimiento articular a dichos efectos para evitar danar el tejido tendinomuscular del usuario. Para ello, el sistema de control articular (8) incorpora un modulo de control de impedancia que recibe information del sistema sensorial (3) y en particular del subsistema fisiologico (5) y adapta automaticamente el movimiento de la articulation del exoesqueleto al rango, rigidez y espasmicidad de la articulation equivalente del usuario. En algunas realizaciones de la invention, este modulo de control de impedancia puede implementarse mediante una articulacion de impedancia variable y controlable, tal y como se describe en la solicitud de patente espanola P201330882 que se incorpora aqul por referencia, que presenta importantes ventajas frente a los modulos programados. Las Figuras 6a y 6b muestran una realization de la invencion que incorpora una articulacion de impedancia variable y controlable (50) en la rodilla.

El sistema de control del movimiento de cada extremidad inferior (10) sincroniza los sistemas de control articular (8) que integran la cadena cinematica correspondiente a esa extremidad en funcion del tiempo, position y/o sus derivadas temporales, y/o fuerza y/o par y/o sus derivadas temporales, y/o en funcion de la informacion procedente del sistema sensorial para adaptar automaticamente el movimiento de la extremidad inferior (10) a las condiciones de rigidez del entorno en contacto.

El sistema de control del movimiento del centro de masas (11) del conjunto exoesqueleto- usuario sincroniza los sistemas de control de cada extremidad inferior (10) en funcion del tiempo y/o posicion y/o sus derivadas y/o fuerza y/o par y/o sus derivadas, o cualquier otra variable flsica, mecanica o biomecanica y/o a traves de la realimentacion de la informacion procedente del sistema sensorial a bordo (3) y/o a traves de la informacion comandada por el usuario mediante un sistema interfaz de usuario (16) y/o siguiendo un patron de referencia de movimiento basado en posiciones articulares y/o sus derivadas y/o pares y/o fuerzas articulares y/o posiciones de las extremidades inferiores (10) y/o sus derivadas y/o fuerzas y/o pares en las extremidades inferiores (10) y/o cualquier parametro biomecanico.

La Figura 9 muestra un ejemplo de realizacion del sistema de control de movimiento (12) para un exoesqueleto con 4 extremidades, dos brazos y dos piernas, y 6 articulaciones por

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cada extremidad.

El sistema de control del movimiento del centro de masas (11) tiene la capacidad de adaptar los patrones de referencia a las condiciones biomecanicas del usuario, mediante un adaptador automatico de patrones de referencia. Este adaptador automatico de patrones de referencia ajusta dichos patrones de movimiento al rango articular, fuerza muscular y condiciones instantaneas de cada extremidad del usuario.

Este sistema de control del movimiento del centro de masas (11) mantiene al conjunto exoesqueleto-usuario en equilibrio dinamicamente o estaticamente estable incluso ante ligeras perturbaciones externas. El control del equilibrio se realiza basandose en el seguimiento de un Indice de estabilidad deseado, que puede estar basado en la trayectoria nominal del Centro de Presion, o del Punto de Momento Nulo (ZMP por sus siglas en ingles), en el Margen de Estabilidad Energetico (NDESM por sus siglas en ingles), o cualquier otro Indice de estabilidad. En base a una medida instantanea de dicho Indice y comparandola con el valor nominal o deseado, se minimiza la diferencia entre ambos valores mediante cualquier tecnica de control (proporcional, derivativo, integral, borroso, neuronal, optimo, etc. o cualquier combination de ellos) mediante la generation de un movimiento o un par de fuerza en el centro de masas del conjunto robot-usuario o en cualquiera de sus extremidades. El sistema de control del centro de masas (11) determinara si es necesario modificar el patron de la marcha para mantener el equilibrio.

El sistema de control articular (8), el sistema de control del movimiento de cada extremidad (10), y el sistema de control del movimiento del centro de masas (11) pueden combinarse con un sistema de actuation humano por el que los musculos del usuario participan en un determinado grado en la generacion de movimiento. Este sistema de actuacion humano puede realizarse directamente mediante el movimiento voluntario del usuario, o indirectamente mediante estimulacion funcional de los musculos (FES por sus siglas en ingles), o una combinacion de ambas. Estos sistemas de control tambien pueden combinarse o sincronizarse con un generador de patrones centrales de movimiento (CPG por sus siglas en ingles).

El sistema interfaz de usuario (16) que interpreta la intention de movimiento del usuario y transmite esta information al sistema de control de movimiento. Este sistema interfaz de usuario (16) puede estar formado por un joystick, tablet, telefono movil, pantalla tactil,

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teclado, raton, microfono, camara, lector de movimiento ocular, sensores electromiograficos (EMG por sus siglas en ingles), interfaces cerebrales (BCI por sus siglas en ingles), interfaces oculares (EEG por sus siglas en ingles) sensores de fuerza o par, sensores de presion, sensores de movimiento inercial (IMU por sus siglas en ingles), sensores de posicion, de velocidad, de angulo, de inclination, etc, o cualquier combination de estos dispositivos, e incluye la electronica y el procesamiento de la information requerido por el sistema de interfaz de usuario (16) para capturar la intention de movimiento del usuario.

El exoesqueleto comprende un sistema de comunicacion (15) que hace de enlace entre los sistemas de control (8, 10, 11), el sistema sensorial (3) y el sistema de interfaz de usuario (16) o entre cualquier combinacion de estos. Esta comunicacion puede ser cableada, inalambrica o cualquier combinacion de ambas, mediante cualquier protocolo de comunicacion (CAN, Ethernet, LAN, etc).

El exoesqueleto comprende ademas una o varias unidades de procesamiento a bordo que realizan todo el procesamiento computacional de uno o varios de los sistemas: sensorial (3), de control (8, 10, 11) y de interfaz de usuario (16). Las unidades de procesamiento pueden estar basadas en cualquier tipo de procesador, microprocesador, dispositivo semiconductor basado en logica (FPGA por sus siglas en ingles) o cualquier combinacion de estos.

Toda la electronica de procesamiento, asl como la fuente de potencia a bordo del exoesqueleto se coloca a lo largo de la estructura mecanica. Si la fuente de potencia se basa en baterlas recargables o reemplazables, estas se situan en la parte lateral y frontal del exoesqueleto para facilitar su carga o reemplazo por parte del usuario.

Las articulaciones que unen los segmentos de la estructura mecanica de exoesqueleto de la presente invention comprenden un rango articular regulable y adaptable al rango articular del usuario. Esta regulation puede ser mecanica, electronica, programada o automatica, o cualquier combinacion de estos tipos.

a. Mecanica: mediante un tope o freno deslizante, mediante roscado o cualquier otro sistema de desplazamiento lineal.

b. Electronica: mediante el uso de sensores de fin de carrera o cualquier dispositivo similar que detecten la posicion articular llmite y comanden la parada del motor articular.

c. Programada: el usuario u otra persona responsable (un profesional medico)

establece los limites articulares al sistema de control articular (8) a traves del

sistema de interfaz de usuario (16).

d. Automatica: el exoesqueleto, a traves del sistema sensorial a bordo (3),

5 determina el rango articular del usuario y comunica los limites articulares al

sistema de control articular (8), preferentemente como parte de un programa de auto-chequeo.

o cualquier combination de estos tipos.

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Claims

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R E I V I N D I C A C I O N E S

1. - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano que comprende una estructura mecanica que comprende segmentos unidos por articulaciones que permiten el movimiento relativo entre dos o mas segmentos sucesivos para mover las extremidades (10) del usuario confiriendole una marcha natural y un sistema de sujecion (2) que permite llevar a cabo su acoplamiento al cuerpo humano caracterizado por que el sistema de sujecion (2) comprende un refuerzo lumbar rlgido (20) que comprende a su vez dos o mas segmentos acoplables (21), dos de los cuales se unen a los segmentos del exoesqueleto mediante al menos un eje de rotacion (22), donde el refuerzo lumbar es replegable mediante sucesivas rotaciones hasta situarse en el plano sagital.

2. - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano segun reivindicacion 1 caracterizado por que comprende al menos 6 grados de movilidad en cada extremidad inferior que son actuados, siendo estos grados de movilidad los siguientes:

- Flexion y extension de la cadera (31) mediante rotacion en el plano sagital;

- Abduccion-aduccion de la cadera (32) mediante rotacion en el plano lateral,

- Rotacion de la cadera (33) mediante rotacion en el plano transversal;

- Flexion y extension de la rodilla (34) mediante rotacion en el plano sagital;

- Flexion y extension del tobillo (35) mediante rotacion en el plano sagital;

- Eversion e inversion del tobillo (36) mediante rotacion en el plano lateral;

3. - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano segun reivindicacion 2

caracterizado por que la estructura mecanica comprende un eje (120) excentrico respecto al cruce de un segmento superior (121) y un segmento inferior (122) de la articulacion de rodilla, eje (120) excentrico actuado por el actuador (44) correspondiente, que definen el grado de movilidad de flexion y extension de la rodilla (34) mediante rotacion en el plano sagital.

4. - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano segun reivindicacion 2

caracterizado por que la estructura mecanica comprende un mecanismo de barras (47) que recibe el movimiento del actuador (45) correspondiente que se encuentra separado del

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tobillo del usuario donde el mecanismo de barras (47) transmite el movimiento al tobillo, y un elemento elastico (48) que ejerce traccion sobre las barras del mecanismo de barras (47).

5. - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano segun reivindicacion 1

caracterizado por que la estructura mecanica comprende un mecanismo de ajuste condiliar (18) para ajustar de forma pasiva el angulo condiliar formado entre femur y tibia.

6. - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano segun reivindicacion 5

caracterizado por que el mecanismo de ajuste condiliar (18) comprende un segmento proximal (150) adyacente a una articulacion de rodilla (105) y un segmento distal (151) mas alejado a la articulacion de rodilla (105), donde el segmento proximal (150) es de menor longitud y se introduce en el segmento distal (151), y donde ambos segmentos (150, 151) se unen mediante un pin (152) dispuesto en direction perpendicular a la tibia del usuario y en la direccion de avance.

7. - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano segun reivindicacion 6

caracterizado por que el mecanismo de ajuste condiliar (18) comprende un mecanismo roscado dispuesto en el extremo inferior del segmento distal (151) para llevar a cabo la regulation del angulo condiliar.

8. - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano segun reivindicacion 5

caracterizado por que el mecanismo de ajuste condiliar (18) comprende un mecanismo de 4 barras (110) dispuesto debajo de la articulacion de la rodilla (105).

9. - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano segun reivindicacion 1

caracterizado por que el sistema de sujecion (2) comprende ademas un soporte isquiatico (25), preferentemente una cincha ajustable y desmontable, donde su tension se gradua a traves de un mecanismo de tension (26) manual o automatico.

10. - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano segun reivindicacion 1

caracterizado por que el sistema de sujecion (2) comprende ademas unos dispositivos de sujecion que son no rlgidos en la parte trasera del exoesqueleto, preferentemente abrazaderas, para la fijacion del exoesqueleto a las extremidades inferiores del usuario, dispositivos de sujecion que se encuentran dispuestos en la parte trasera del exoesqueleto.

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11. - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano segun reivindicacion 1 caracterizado por que el sistema de sujecion (2) comprende ademas un dispositivo de anclaje al zapato (28) del usuario de forma permanente o desmontable.

12. - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que comprende un sistema de potencia a bordo (13) que provee de energla a un sistema de actuacion formado por los actuadores (41, 42, 43, 44, 45, 46) que comprende la estructura mecanica y a un sistema de computation (14).

13. - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano segun reivindicacion 12 caracterizado por que comprende ademas un sistema sensorial a bordo (3) que monitoriza el movimiento del exoesqueleto y comprende al menos uno de los siguientes subsistemas:

a. un subsistema propioceptivo (4), que determina instantaneamente el estado del robot,

b. un subsistema fisiologico (5), que determina mediante biomarcadores el estado del usuario,

c. un subsistema estereoceptivo (6), que determina instantaneamente o en un periodo de tiempo el estado del entorno,

d. un subsistema perceptivo (7) de la interaction exoesqueleto-usuario-entorno y que determina el estado de la interaccion mutua entre los tres subsistemas anteriores (4, 5, 6),

14. - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano segun reivindicacion 13 caracterizado por que comprende ademas un sistema de control de movimiento (12) que recibe la information proveniente del sistema sensorial a bordo (3), y que comprende uno o varios de los siguientes sistemas:

a. un sistema de control articular (8),

b. un sistema de control de extremidad (10),

c. un sistema de control del centro de masas del conjunto exoesqueleto-usuario (11).

15. - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano segun reivindicacion 14 caracterizado por que el sistema de control articular (8) comprende un modulo de control de impedancia que recibe informacion del sistema sensorial (3) y en particular del subsistema

fisiologico (5) y adapta automaticamente el movimiento de la articulacion del exoesqueleto al rango, rigidez y espasmicidad de la articulacion equivalente del usuario.

16. - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano segun reivindicacion 14

5 caracterizado por que el sistema de control del movimiento (12) de cada extremidad (10)

sincroniza los sistemas de control articular (8) que integran la cadena cinematica correspondiente a esa extremidad en funcion del tiempo, posicion y/o sus derivadas temporales, y/o fuerza y/o par y/o sus derivadas temporales, y/o en funcion de la information procedente del sistema sensorial a bordo (3) para adaptar automaticamente el movimiento 10 de la extremidad a las condiciones de rigidez del entorno en contacto.

17. - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano segun reivindicacion 14

caracterizado por que el sistema de control del movimiento del centro de masas (11) del conjunto exoesqueleto-usuario sincroniza los sistemas de control de cada extremidad (10)

15 en funcion del tiempo y/o posicion y/o sus derivadas y/o fuerza y/o par y/o sus derivadas, o cualquier otra variable flsica, mecanica o biomecanica y/o a traves de la realimentacion de la informacion procedente del sistema sensorial (3) y/o a traves de la informacion comandada por el usuario mediante un sistema interfaz de usuario (16) y/o siguiendo un patron de referencia de movimiento basado en posiciones articulares y/o sus derivadas y/o pares y/o 20 fuerzas articulares y/o posiciones de las extremidades y/o sus derivadas y/o fuerzas y/o pares en las extremidades y/o cualquier parametro biomecanico.

18. - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano segun cualquiera de las reivindicaciones 14 a 17 caracterizado por que comprende un sistema de actuation humano

25 combinable con el sistema de control articular (8), el sistema de control del movimiento (12) de cada extremidad (10), y el sistema de control del movimiento del centro de masas (11), por el que los musculos del usuario participan en un determinado grado en la generation de movimiento.

30 19.- Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano segun cualquiera de las

reivindicaciones 14 o 17 caracterizado por que comprende un sistema de interfaz de usuario (16) que interpreta la intention de movimiento del usuario y transmite esta informacion al sistema de control de movimiento del centro de masas (11).

20. - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano segun reivindicacion 19

caracterizado por que comprende un sistema de comunicacion (15) que hace de enlace entre los sistemas de control (8, 10, 11), el sistema sensorial (3) y el sistema de interfaz de usuario (16) o entre cualquier combination de estos.

5

21. - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano segun reivindicacion 20

caracterizado por que comprende una o varias unidades de procesamiento a bordo que realizan todo el procesamiento computacional de uno o varios de los sistemas sensorial (3), de control (8, 10, 11) y de interfaz de usuario (16).

10

22. - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano segun reivindicacion 21

caracterizado por que las articulaciones que unen los segmentos de la estructura mecanica comprenden un rango articular regulable y adaptable al rango articular del usuario, donde esta regulation es mecanica o electronica o programada o automatica, o cualquier

15 combinacion de estos tipos.

23. - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano segun reivindicacion 22

caracterizado por que la regulacion mecanica se lleva a cabo mediante un tope o freno deslizante, mediante roscado o mediante un sistema de desplazamiento lineal.

20

24. - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano segun reivindicacion 22

caracterizado por que la regulacion e se lleva a cabo mediante sensores de fin de carrera.

25. - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano segun reivindicacion 22

25 caracterizado por que la regulacion programada se lleva a cabo estableciendo los llmites

articulares al sistema de control articular (8) a traves del sistema de interfaz de usuario (16).

26. - Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano segun reivindicacion 22

caracterizado por que la regulacion automatica se lleva a cabo a traves del sistema sensorial

30 a bordo (3), que determina el rango articular del usuario y comunica los llmites articulares al sistema de control articular (8).