ES3058364T3

ES3058364T3 - Procedimiento para poner en movimiento un exoesqueleto

Info

Publication number: ES3058364T3
Application number: ES21782785T
Authority: ES
Inventors: Marine Petriaux; Maxime Brunet
Original assignee: Wandercraft SAS
Current assignee: Wandercraft SAS
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2021-09-08
Publication date: 2026-03-10
Anticipated expiration: 2041-09-08
Also published as: JP7790017B2; EP4210911C0; KR20230066011A; CA3194053A1; WO2022053761A1; US20230355458A1; FR3113829B1; FR3113829A1; JP2023540140A; EP4210911B1; EP4210911A1; CN116075460A

Abstract

La presente invención se refiere a un método para mover un exoesqueleto de dos patas (1) que recibe un operador humano, comprendiendo el método la implementación, mediante medios de procesamiento de datos (11c) del exoesqueleto (1), de los pasos de: (a) obtener una trayectoria básica teórica del exoesqueleto (1) correspondiente a un paso; (b) parametrizar la trayectoria básica teórica en base a un único parámetro de manera que se defina la trayectoria básica teórica del exoesqueleto (1) como una guía virtual con un único grado de libertad; (c) en respuesta a movimientos forzados del exoesqueleto (1) realizados por el operador humano, operar un controlador que define la progresión desde una posición real del exoesqueleto (1) en base a dicho único parámetro estimulando un enlace resorte-amortiguador entre el exoesqueleto (1) y la guía virtual de manera que se implemente una trayectoria básica real cercana a la trayectoria básica teórica. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Procedimiento para poner en movimiento un exoesqueleto

[0003] Área técnica general

[0004] La presente invención se refiere al campo de los robots de tipo exoesqueleto.

[0005] Más específicamente, se refiere a un procedimiento para poner en movimiento un exoesqueleto con un nivel variable de asistencia.

[0006] Estado de la técnica

[0007] Recientemente, para personas con grandes problemas de movilidad como los parapléjicos, han aparecido unos dispositivos de marcha asistida llamados exoesqueletos, que son dispositivos robóticos externos que el operador (el usuario humano) llega a "ponerse" gracias a un sistema de fijaciones que vinculan los movimientos del exoesqueleto a sus propios movimientos. Los exoesqueletos de extremidades inferiores tienen varias articulaciones, normalmente al menos en las rodillas y las caderas, para reproducir el movimiento de andar. Estas articulaciones son movidas por accionadores, que a su vez mueven al operario. Un sistema de interfaz permite al operador dar órdenes al exoesqueleto, y un sistema de control transforma estas órdenes en comandos para los accionadores. Los sensores generalmente completan el sistema.

[0008] Un exoesqueleto de este tipo se conoce por el documento US 2019/159954..

[0009] Estos exoesqueletos suponen un avance respecto a las sillas de ruedas, ya que permiten a los operarios volver a ponerse de pie y caminar. Los exoesqueletos ya no están limitados por sus ruedas y, en teoría, pueden evolucionar en la mayoría de los entornos no planos: las ruedas, a diferencia de las piernas, no les permiten salvar obstáculos importantes como escalones, escaleras, obstáculos de altura excesiva, etc.

[0010] Además de restaurar la movilidad, los exoesqueletos son de gran interés en la rehabilitación, en particular tras accidentes neurológicos como los accidentes cerebrovasculares.

[0011] En general, la rehabilitación se lleva a cabo utilizando la experiencia de fisioterapeutas y terapeutas ocupacionales. Se llevan a cabo diversas actividades para reentrenar los miembros, pero sobre todo para reentrenar el cerebro a fin de que emita señales eléctricas correspondientes a órdenes coherentes.

[0012] El exoesqueleto se utiliza entonces para guiar las extremidades de los pacientes para que sigan una trayectoria predeterminada. Por sí solos, estos pacientes no realizan los movimientos correctos, por ejemplo desplazando el torso hacia delante para levantar la rodilla. El exoesqueleto entrena el movimiento de las extremidades del paciente al tiempo que se opone a los movimientos inadecuados.

[0013] Esta fuerza aplicada a favor de movimientos adecuados y en contra de movimientos inadecuados se denomina "asistencia". Matemáticamente, un nivel de asistencia del 100% corresponde a un caso en el que no se requiere ninguna fuerza para desplazarse a lo largo de la trayectoria predeterminada, y un nivel de asistencia del 0% corresponde a un caso en el que no se aplica ninguna fuerza a favor o en contra del movimiento.

[0014] Se entiende que para ayudar a los pacientes a progresar, el nivel de asistencia debe reducirse gradualmente para adaptarse a sus progresos.

[0015] En otras palabras, es deseable tener un nivel variable de asistencia, lo que en la práctica es extremadamente complejo desde un punto de vista matemático.

[0016] La solución básica consiste en proporcionar varios controladores asociados cada uno de ellos a un nivel de asistencia predeterminado, para disponer, por ejemplo, de cuatro o cinco niveles de asistencia diferentes entre los que elegir. Está claro que una solución así es poco modular y, sobre todo, engorrosa.

[0017] Por consiguiente se propuso en el documento Robot Assisted Gait Training With Active Leg Exoskeleton (ALEX), por Sai K. Banala, Seok Hun Kim, Sunil K. Agrawal, y John P. Scholz, IEEE TRANSACTIONS ON NEURAL SYSTEMS AND REHABILITATION ENGINEERING, VOL.. 17, NO. 1, FEBRERO 2009,una solución de nivel de asistencia variable en la que las fuerzas normales F<n>y las fuerzas tangenciales Ft. se tratan por separado.

[0018] Las fuerzas normales se utilizan para devolver al paciente a la trayectoria deseada y se aplican sólo fuera de una banda alrededor de la trayectoria, y aumentan cuadráticamente a medida que el pie se aleja de su posición deseada. Las fuerzas tangenciales se utilizan para ayudar al paciente a realizar el movimiento y se aplican sólo en una banda cercana a la trayectoria, son máximas en la trayectoria y disminuyen linealmente a medida que uno se aleja de ella. El nivel de asistencia se varía modificando los coeficientes aplicados a las fuerzas.

[0019] Este procedimiento proporciona satisfacción, pero sigue siendo, por una parte, limitado al desplazamiento plano controlado (ALEX no es un exoesqueleto verdadero, sino simplemente una prótesis para una sola pierna unida a un pórtico que lo soporta), y por otra parte demasiado simplista desde un punto de vista matemático.

[0020] En efecto entendemos que el cálculo de fuerzas depende únicamente de la distancia entre la posición actual y la trayectoria y en absoluto del movimiento en sí. El punto más cercano a la posición actual en la trayectoria debe determinarse en todo momento, y es fácil imaginar que si la trayectoria es sustancialmente circular, es probable que el comportamiento sea problemático.

[0021] Así pues, esta solución no es en absoluto aplicable a un exoesqueleto real que caminara por un espacio abierto y que, además, tiene que soportar su propio peso. Sería deseable disponer de una nueva solución para poner en movimiento cualquier exoesqueleto con un nivel variable de asistencia, que permitiera al exoesqueleto caminar de forma fiable y ergonómica.

[0022] Descripción de la invención

[0023] La presente invención se refiere así según un primer aspecto a un procedimiento, según la reivindicación 1, de puesta en movimiento de un exoesqueleto bípedo que recibe a un operador humano, comprendiendo el procedimiento la realización por medios de procesamiento de datos del exoesqueleto, de etapas de:

[0024] (a) obtención de una trayectoria elemental teórica del exoesqueleto correspondiente a un paso;

[0025] (b) parametrización de dicha trayectoria elemental teórica en función de un único parámetro, a fin de definir la trayectoria elemental teórica del exoesqueleto como una guía virtual con un único grado de libertad;

[0026] (c) en respuesta a los movimientos forzados del exoesqueleto realizados por el operador humano, ejecución de un controlador que defina la evolución de una posición real del exoesqueleto en función de dicho parámetro único simulando una conexión resorte-amortiguador entre el exoesqueleto y dicha guía virtual, con el fin de implementar una trayectoria elemental real próxima a dicha trayectoria elemental teórica.

[0027] Según características ventajosas y no limitativas:

[0028] El procedimiento comprende repetir las etapas a) a c) de manera que el exoesqueleto camine por una sucesión de trayectorias elementales reales, cada una de las cuales corresponde a un paso.

[0029] La trayectoria elemental teórica obtenida en la etapa (a) parte de una posición inicial, comprendiendo la etapa (c) la determinación de una posición final del exoesqueleto al final de dicha trayectoria elemental real, utilizándose dicha posición final como posición inicial en la siguiente ocurrencia de la etapa (a).

[0030] Dicha conexión resorte-amortiguador entre el exoesqueleto y dicha guía virtual se simula en la etapa (c) suponiendo una fuerza de recuperación elástica y una fuerza de impedancia aplicadas a dicho exoesqueleto.

[0031] Dicho controlador también asume que se aplica al exoesqueleto una fuerza tangencial de acompañamiento a dicha guía virtual.

[0032] La fuerza de recuperación elástica, la fuerza de impedancia y/o la fuerza de asistencia es una función de un nivel de asistencia del exoesqueleto dado.

[0033] Dicho controlador también supone que se aplica al exoesqueleto una fuerza que compensa el peso del exoesqueleto. Dicha fuerza de recuperación elástica es una función de una desviación entre la posición real del exoesqueleto y una posición teórica del exoesqueleto a lo largo de la guía virtual; y dicha fuerza de impedancia es una función de una desviación entre una derivada de la posición real del exoesqueleto y una derivada de la posición teórica del exoesqueleto a lo largo de la guía virtual.

[0034] La posición del exoesqueleto está definida por un vector de las posiciones articulares de los grados de libertad accionados del exoesqueleto.

[0035] Dicho controlador define la evolución de la posición del exoesqueleto en función de la evolución de dicho parámetro único.

[0036] Según un segundo aspecto, la invención se refiere a un exoesqueleto que comprende medios de procesamiento de datos configurados para implementar un procedimiento según el primer aspecto de puesta en movimiento del exoesqueleto.

[0037] Según un tercer aspecto, la invención se refiere a un sistema que comprende un servidor y el exoesqueleto según el segundo aspecto, comprendiendo el servidor medios de procesamiento de datos configurados para generar dicha trayectoria elemental teórica y suministrarla al exoesqueleto en la etapa (a).

[0038] Según un cuarto y un quinto aspecto, la invención se refiere a un producto de programa de ordenador que comprende instrucciones de código para ejecutar un procedimiento según el primer aspecto de poner en movimiento un exoesqueleto; y medios de almacenamiento legibles por un equipo informático en el que un producto de programa de ordenador comprende instrucciones de código para ejecutar un procedimiento según el primer aspecto de poner en movimiento un exoesqueleto.

[0039] Descripción de las figuras

[0040] Otras características y ventajas de la presente invención se harán evidentes a partir de la siguiente descripción de una realización preferente. Esta descripción se hará con referencia a los dibujos anexos en los que:

[0041] ● La figura 1 es un esquema de un exoesqueleto utilizado por los procedimientos según la invención;

[0042] ● La figura 2 es un esquema de una arquitectura para implementar los procedimientos según la invención; ● La figura 3 es un diagrama que ilustra una realización preferente del procedimiento según la invención.Descripción detallada

[0043] Arquitectura

[0044] La presente invención proporciona un procedimiento para poner en movimiento un exoesqueleto 1.

[0045] Con referencia a laFigura 1,dicho exoesqueleto 1 es un sistema mecánico articulado del tipo de dispositivo robótico bípedo, accionado y controlado, provisto de dos piernas, acomodando más precisamente a un operador humano que presenta sus extremidades inferiores cada una integral con una pierna del exoesqueleto 1 (en particular por medio de correas). Por tanto, puede ser un robot más o menos humanoide. Por "caminar" se entiende poner en movimiento el dispositivo robótico 1, lo que en la práctica significa apoyarse alternativamente en las piernas, en posición erguida, para producir el movimiento. Como veremos más adelante, se supone que un movimiento del exoesqueleto se compone de una secuencia de pasos, en cada uno de los cuales se levanta un pie del suelo y luego se descansa, antes de que se inviertan los papeles (es decir, una alternancia de pasos con el pie izquierdo y el pie derecho). El exoesqueleto 1 tiene una pluralidad de grados de libertad, es decir, articulaciones deformables (generalmente mediante rotación), es decir, movibles unas con respecto a otras, que son cada una "accionada" o "no accionada". Un grado de libertad accionado se refiere a una articulación provista de un accionador controlado por los medios de procesamiento de datos 11c, es decir, este grado de libertad está controlado y se puede actuar sobre él. Por el contrario, un grado de libertad no accionado se refiere a una articulación sin accionar, es decir, este grado de libertad sigue su propia dinámica y los medios de tratamiento de datos 11 no tienen ningún control directo sobre él (pero sí un control indirecto a priori a través de los demás grados de libertad accionados).

[0046] El presente exoesqueleto comprende naturalmente al menos dos grados de libertad accionados, preferiblemente una pluralidad.

[0047] En el presente caso, el exoesqueleto 1 tiene, como se ha explicado, un nivel de asistencia variable, es decir, el operador puede mediante sus movimientos "accionar" por sí mismo los grados de libertad en la medida en que el nivel de asistencia lo permita, es decir, cambiar por sí mismo la orientación de una articulación, por ejemplo doblar la rodilla. A este respecto, los accionadores son también sensores, ya que son capaces de enviar su posición a los medios de procesamiento de datos 11c para poder detectar el accionamiento "forzado" de un grado de libertad por parte del operador.

[0048] Los medios de procesamiento de datos 11c se refieren a un equipo informático (típicamente un procesador, ya sea externo si el exoesqueleto 1 se "controla a distancia", pero preferiblemente a bordo del exoesqueleto 1, véase más adelante) adaptado para procesar instrucciones y generar órdenes para los diversos accionadores. Pueden ser eléctricos, hidráulicos, etc.

[0049] La presente solicitud no se limitará a cualquier arquitectura de exoesqueleto 1, y se tomará el ejemplo descrito en los documentos WO2015140352 y WO2015140353.

[0050] Así, preferentemente y de acuerdo con estas reivindicaciones, el exoesqueleto 1 comprende en cada pierna una estructura de pie que comprende un plano de apoyo sobre el que puede llegar a apoyarse un pie de una pierna de la persona que lleva el exoesqueleto.

[0051] Este plano de apoyo comprende una plataforma delantera y una plataforma trasera, de tal manera que un eslabón pivotante de pie conecta la plataforma delantera con la plataforma trasera, constituyendo un grado de libertad no accionado.

[0052] No obstante, el experto sabrá adaptar el presente procedimiento a cualquier otra arquitectura mecánica.

[0053] Según una realización preferente, el presente procedimiento de generación de trayectoria y marcha puede comprender un primer o incluso un segundo servidor 10a, 10b dentro de una arquitectura como la representada por laFigura 2..

[0054] El primer servidor 10a es un servidor de generación de trayectorias, y el segundo servidor 10b es un servidor de posible aprendizaje.

[0055] En efecto, la generación de una trayectoria del exoesqueleto 1 puede utilizar una red neuronal, en particular del tipo "propagación anterior" (FNN, "Feedforward Neural Network"), tal como se propone en la solicitud FR1910649.. El segundo servidor 10b es entonces un servidor para implementar un procedimiento de aprendizaje de los parámetros de dicha red neuronal. Cabe señalar que este procedimiento no se limita al uso de una red neuronal, y que puede utilizarse cualquier técnica conocida para generar la trayectoria en su totalidad, o incluso más.

[0056] En cualquier caso, es muy posible que estos dos servidores se confundan, pero en la práctica el segundo servidor 10b es la mayoría de las veces un servidor remoto mientras que el primer servidor 10a puede estar a bordo del exoesqueleto 1 para su funcionamiento en tiempo real, como se muestra en la figura 2. En una realización preferente, el primer servidor 10a implementa el procedimiento de generación de una trayectoria para el exoesqueleto 1 utilizando una red neuronal basada en parámetros recuperados del segundo servidor 10b, y el exoesqueleto 1 normalmente aplica directamente dicha trayectoria generada in situ para ponerse en movimiento.

[0057] Cada uno de estos servidores 10a, 10b es típicamente un equipo informático conectado a una red de área amplia 20 tal como la red de Internet para el intercambio de datos, aunque en la práctica una vez que la red neuronal ha sido aprendida e incrustada en el segundo servidor 10b la comunicación puede interrumpirse, al menos intermitentemente. Cada uno de ellos comprende medios de procesamiento de datos de tipo procesador 11a, 11b (en particular, los medios de procesamiento de datos 11b del segundo servidor tienen una gran potencia de cálculo, ya que el aprendizaje es largo y complejo en comparación con el simple uso de la red neuronal aprendida), y, si es necesario, medios de almacenamiento de datos 12a, 12b tales como una memoria de ordenador, por ejemplo, un disco duro. En el caso de generación de trayectorias por red neuronal, la memoria 12b del segundo servidor 10b puede almacenar una base de datos de aprendizaje.

[0058] Se entenderá que puede haber una pluralidad de exoesqueletos 1 embarcados cada uno en su primer servidor 10a (que puede entonces ser de potencia y espacio limitados, en la medida en que genera trayectorias sólo para el exoesqueleto 1 al que está dedicado), o una pluralidad de exoesqueletos 1 conectados cada uno a un primer servidor 10a más potente, que puede estar fusionado con el segundo servidor 10b (y tener la capacidad de generar trayectorias sobre la marcha para todos los exoesqueletos 1).

[0059] Trayectoria

[0060] Como se ha explicado, por "trayectoria" del exoesqueleto se entiende convencionalmente las evoluciones de cada grado de libertad (en particular accionado) expresadas en función del tiempo o de una variable de fase. En el resto de esta descripción, se entenderá por "posición" del exoesqueleto 1 las posiciones articulares de los grados de libertad accionados, de los que ventajosamente hay seis por pata, es decir, una posición definida por un vector de dimensión 12, aunque podríamos, por ejemplo, tomar la posición cartesiana de un punto característico del exoesqueleto, por ejemplo su CMP (en este caso tenemos un vector de dimensión 6: 3 posiciones más 3 orientaciones a lo largo de los 3 ejes). Cabe señalar que la solución de 12 grados de libertad es preferible porque hay redundancia y, por tanto, obliga al operador a adoptar una buena coordinación conjunta.

[0061] Además, sabemos definir un movimiento "complejo" como una secuencia de trayectorias denominadas "elementales" posiblemente intercaladas con transiciones. Por trayectoria elemental, entendemos cualquier trayectoria correspondiente a un paso, es decir, aplicada a lo largo de la duración del paso de forma que partiendo de un estado inicial del exoesqueleto 1 al comienzo de un paso (momento de contacto del pie), se vuelve al mismo estado al comienzo del paso siguiente. Nótese que hay una alternancia de pasos a izquierda y derecha, de modo que el estado al final de un paso esté "simetrizado" (ya no es el mismo pie delante), y técnicamente se necesitan dos pasos para volver exactamente al mismo estado (mismo pie delante). Una trayectoria periódica es una sucesión estable de trayectorias elementales que permiten caminar.

[0062] Esto abarca cualquier paso sobre una superficie plana, pero también sobre una rampa, un ascenso o descenso de una escalera, etc.).

[0063] Una trayectoria elemental está asociada a una marcha dada del exoesqueleto 1 (estando definida una marcha por una tupla de parámetros de marcha), y permite mantener esta marcha de manera estable y factible (es decir, como veremos respeta todas las restricciones de un problema de optimización y minimiza una función de coste en la medida de lo posible). Como se ha explicado, dichos parámetros de la marcha corresponden a "características" de la forma de andar, como la longitud de los pasos, la frecuencia de la marcha y la inclinación del torso, pero también la altura de los escalones en el caso de subir escaleras, el ángulo instantáneo de rotación para los movimientos curvos, etc.; y también a las características morfológicas del operador (un subgrupo de los parámetros de la marcha denominado parámetros del paciente), como su estatura, su peso, la longitud del muslo o de la espinilla, la posición del centro de masa (valor del desplazamiento hacia delante) y el movimiento lateral del torso en el contexto de las actividades de rehabilitación.

[0064] Las mencionadas "restricciones" de una marcha pueden ser variadas y depender del tipo de marcha deseada, por ejemplo, una marcha de "pies planos", o una marcha de "balanceo", etc. El presente procedimiento no se limitará a ningún tipo de marcha deseada.

[0065] Las eventuales transiciones corresponden a cambios en la marcha, es decir, a variaciones en los valores de dichos parámetros de la marcha (por ejemplo, un aumento de la longitud del paso): conociendo un conjunto inicial de parámetros de la marcha y un conjunto final de parámetros de la marcha, y por tanto una trayectoria periódica inicial (asociada al conjunto inicial de parámetros de la marcha) y una trayectoria periódica final (asociada al conjunto final de parámetros de la marcha), dicha transición es un fragmento de trayectoria que permite pasar de la trayectoria periódica inicial a la trayectoria final. Tenga en cuenta que debe haber transiciones "inicial" y "final", correspondientes al inicio y al final del movimiento.

[0066] Procedimiento

[0067] Con referencia a laFigura 3,dicho procedimiento de puesta en movimiento del exoesqueleto 1, implementado por los medios de procesamiento de datos embarcados 11c, comienza con una etapa (a) de obtención de una trayectoria elemental teórica del exoesqueleto correspondiente a un paso. Esta etapa puede consistir en obtener en primer lugar al menos una tupla de parámetros de la marcha que defina una marcha dada del exoesqueleto 1, o incluso una secuencia de tuplas de parámetros de la marcha de forma progresiva (por ejemplo, como resultado de nuevas órdenes del operador del exoesqueleto o de un terapeuta, en particular si el ejercicio evoluciona).

[0068] Nótese que la obtención puede como se ha explicado implicar directamente la generación de la trayectoria por el exoesqueleto 1 (si por ejemplo incrusta el servidor 10a) o la simple recepción de la trayectoria por la red 20. Para ello, los medios 11c pueden suministrar al servidor externo 10a los parámetros de funcionamiento y, a cambio, recuperar el tractor.

[0069] Nótese que una trayectoria periódica teórica que va más allá de un solo paso se genera la mayoría de las veces directamente; la trayectoria elemental teórica es sólo un fragmento de ella.

[0070] Preferiblemente se define un nivel de asistencia del exoesqueleto. Como se ha explicado, se trata ventajosamente de un valor comprendido entre 0 y 1, 0 designa una asistencia nula y 1 una asistencia total, aunque puede utilizarse cualquier escala, una pluralidad de niveles predefinidos, etc. Una vez más, el nivel de asistencia puede variar. Sólo se supondrá que el nivel de asistencia es tal que los movimientos forzados del exoesqueleto 1 por el operador humano son posibles en la práctica, ya que el exoesqueleto 1 no los bloquea.

[0071] Obsérvese que el operador puede estar provisto, como se ha explicado, de un chaleco con sensores 15 que permiten detectar la configuración de su torso (orientación del mismo). La dirección en la que el operador apunta su torso es la dirección en la que desea caminar y la velocidad viene dada por la intensidad con la que mueve su torso hacia delante (cuánto se inclina). La solicitud de puesta en marcha puede corresponder a que el operador pulse un botón (o una postura determinada) para manifestar su intención de ponerse en marcha y, por tanto, ordenar a los medios de procesamiento de datos que determinen dichos parámetros. Ciertos parámetros, como el ángulo instantáneo de rotación o la altura de los peldaños en el caso de subir escaleras, pueden predeterminarse u obtenerse mediante otros sensores 13, 14.

[0072] Para la generación de trayectorias propiamente dicha, no nos limitaremos a ninguna técnica conocida. Se sabe que las herramientas de optimización generan una trayectoria determinada en función de las restricciones y los parámetros elegidos. Por ejemplo, en el caso de las trayectorias HZD, el problema de generación de trayectorias se formula como un problema de control óptimo que puede resolverse preferentemente mediante un algoritmo denominado de colocación directa, véase el documento de Omar Harib et al, Feedback Control of an Exoskeleton for Paraplegics Toward Robustly Stable Hands-free Dynamic Walking..

[0073] Alternativamente, como también se ha explicado, puede utilizarse una red neuronal entrenada en una base de datos de trayectorias de aprendizaje.

[0074] En todos los casos, se supondrá definida una posición inicial del exoesqueleto 1 correspondiente a su posición al inicio del paso.

[0075] Se dice que la trayectoria elemental generada es "teórica", por oposición a una trayectoria "real". De hecho, si el exoesqueleto 1 se utilizara de forma convencional sin emplearse para rehabilitación, podríamos simplemente aplicar la trayectoria teórica y el exoesqueleto caminaría automáticamente de acuerdo con esta trayectoria.

[0076] Aquí, con el objetivo de entrenar al operador, se repite que los movimientos forzados del exoesqueleto 1 realizados por el operador humano son en la práctica posibles, de manera que la trayectoria que en la práctica realiza el exoesqueleto 1 (la trayectoria real) nunca se corresponde exactamente con la trayectoria teórica prevista, aunque como se verá el presente procedimiento hace que se mantengan próximas. Esto significa que la trayectoria real es coherente con los movimientos del operador. Dicho de otro modo, la trayectoria real puede ejecutarse a una velocidad libremente elegida por el operador humano, en función de sus movimientos.

[0077] A continuación, en una etapa b), el procedimiento comprende parametrizar dicha trayectoria elemental teórica en función de un único parámetro, con el fin de definir la trayectoria elemental teórica del exoesqueleto 1 como una guía virtual con un único grado de libertad.

[0078] La idea de las guías virtuales es bien conocida en robótica, y se describe por ejemplo en el documento Iterative Virtual Guides Programming for Human-Robot Comanipulation, Susana Sánchez Restrepo, Gennaro Raiola, Pauline Chevalier, Xavier Lamy y Daniel Sidobre.. Estas guías virtuales son, por ejemplo, "barreras" que limitan el movimiento de los efectores robóticos, sobre todo por razones de seguridad.

[0079] Por ejemplo, el robot puede ser un brazo robótico terminado por una sierra circular manipulada por un operador humano, la trayectoria teórica es una trayectoria de corte, y la guía virtual evita que el operador se lesione si se aleja demasiado de la trayectoria.

[0080] Como veremos, la guía virtual constituye un problema inteligentemente adaptado para la asistencia con un exoesqueleto.

[0081] Matemáticamente definimos un primer par {x<vm>; ẋ<vm>} de la posición teórica del exoesqueleto 1 y la derivada de la posición teórica del exoesqueleto 1 (cuando se recorre la trayectoria elemental teórica), y un segundo par {x; x} de la posición real del exoesqueleto 1 y la derivada de la posición real del exoesqueleto 1 (cuando se recorre la trayectoria elemental real). Aquí, "vm" significa mecanismo virtual, porque el exoesqueleto 1 puede verse siguiendo la trayectoria teórica como un "mecanismo virtual" que se desliza a lo largo de la guía virtual. En otras palabras, x<vm>es la posición teórica del exoesqueleto 1 a lo largo de la guía virtual. Repetimos que todos los objetos x, x<vm>, X y ẋ<vm>son vectores, preferentemente de dimensión 12.

[0082] Dado que, en el espacio de posición del exoesqueleto, la guía virtual forma un objeto de dimensión 1 (una curva), puede parametrizarse con un único parámetro denotado s<vm>. Este parámetro puede ser el tiempo, pero preferentemente es la abscisa curvilínea a lo largo de la guía virtual, por ejemplo en un valor 0 cuando el exoesqueleto está en la posición inicial, y un valor 1 cuando está en una posición final correspondiente al final del paso (la pierna levantada llega al suelo).

[0083] Podemos plantear x<vm>=L<s>(s<vm>) y ẋ<vm>=J<s>(ṡ<vm>), donde L<s>es el modelo de parametrización y J<s>es el Jacobiano del mecanismo virtual, para definir su modelo cinemático. La persona experta sabrá cómo implementar esta parametrización, por ejemplo inspirándose en el documento Iterative Virtual Guides Programming for Human-Robot Comanipulation, Susana Sánchez Restrepo, Gennaro Raiola, Pauline Chevalier, Xavier Lamy y Daniel Sidobre.. En una etapa principal (c), en respuesta a los movimientos forzados del exoesqueleto 1 realizados por el operador humano (es decir. operador intentará por sí mismo implementar el exoesqueleto 1 de acuerdo con la trayectoria prevista, en particular bajo el control del terapeuta), los medios 11c ejecutan un controlador que define la evolución de una posición real del exoesqueleto 1 en función de dicho parámetro único simulando una conexión resorteamortiguador entre el exoesqueleto 1 y dicha guía virtual, con el fin de implementar una trayectoria elemental real próxima a dicha trayectoria elemental teórica.

[0084] Este controlador puede, por supuesto, prepararse de antemano y cargarse en el exoesqueleto 1.

[0085] La "conexión resorte-amortiguador" al que se hace referencia es una analogía física que ilustra la idea de que el exoesqueleto 1 estaría fijado a la guía virtual por un resorte y un amortiguador en paralelo: mientras la trayectoria real implementada por el usuario se aproxime a la trayectoria teórica no ocurre nada, pero en cuanto se aleja de ella entran en juego las fuerzas del resorte y del amortiguador.

[0086] Preferiblemente, dicha conexión resorte-amortiguador entre el exoesqueleto 1 y dicha guía virtual se simula en la etapa (c) suponiendo una fuerza de recuperación elástica (el resorte) y una fuerza de impedancia (el amortiguador) aplicadas a dicho exoesqueleto 1.

[0087] En particular, dicha fuerza de recuperación elástica es función de una desviación entre la posición real x del exoesqueleto 1 y la posición teórica x<vm>del exoesqueleto 1 a lo largo de la guía virtual (ventajosamente según la fórmula F<1>=K(x<vm>- x), donde K es un coeficiente de rigidez que puede ser función del nivel de asistencia) y dicha fuerza de impedancia es función de una diferencia entre la derivada x de la posición real del exoesqueleto 1 y la derivada ẋ<vm>de la posición teórica del exoesqueleto 1 a lo largo de la guía virtual (ventajosamente según la fórmula F<2>=B(ẋ<vm>- x), donde B es un coeficiente de amortiguación que también puede ser función del nivel de asistencia). Se trata de enumerar las fuerzas aplicadas al exoesqueleto 1, y de determinar su dinámica de primer orden con respecto a dicho parámetro único s<vm>, de manera que dicho controlador (en particular en forma de controlador PD) defina la evolución de la posición real x del exoesqueleto 1 en función de la evolución de dicho parámetro único. Ventajosamente:

[0088] ● una fuerza de acompañamiento F<3>tangencial a dicha guía virtual y de intensidad dependiente de dicho nivel de asistencia (por ejemplo F<3>=Nẋ<vm>. Hay que tener en cuenta que podemos compensar más ciertos grados de libertad, por ejemplo las caderas frontales y transversales no son muy móviles y podemos asistirlas más para que no se bloqueen, es decir, que se puedan mover con más facilidad. N puede ser una matriz diagonal con varios coeficientes potencialmente dependientes también del nivel de asistencia y/o del peso del operador);

[0089] ● una fuerza F<4>que compensa el peso del exoesqueleto (F<4>= -P)

[0090] On a alors J<s>T

(F<1>+F<2>+F<3>+F<4>)=0, una ecuación que se puede resolver con respecto a ṡ<vm>, luego integrar, para conocer la evolución de la posición real x del exoesqueleto 1 en función de la evolución de dicho parámetro único s<vm>.

[0091] En resumen, el operador es asistido por F<3>, no tiene que soportar el peso del exoesqueleto gracias a F<4>, y es reconducido hacia la trayectoria teórica por F<1>y esto de manera flexible por F<2>.

[0092] En comparación con la solución ALEX mencionada en la introducción, no hay distancia que calcular y tenemos un procedimiento universal.

[0093] Secuencia de etapas

[0094] Las etapas (a) a (c) pueden repetirse de manera que el exoesqueleto 1 camine mediante una sucesión de trayectorias elementales reales, cada una de las cuales corresponde a un paso.

[0095] Téngase en cuenta que la trayectoria real es diferente de la trayectoria teórica, por lo que la siguiente trayectoria debe adaptarse al paso que se acaba de dar.

[0096] Así, la trayectoria elemental teórica obtenida en la etapa (a) parte de una posición inicial, comprendiendo ventajosamente la etapa (c) la determinación de una posición final del exoesqueleto 1 al final de dicha trayectoria elemental real, utilizándose dicha posición final como posición inicial en la siguiente ocurrencia de la etapa (a). Como se ha explicado, generalmente se genera una trayectoria periódica completa (formada por una secuencia de trayectorias elementales), de modo que la nueva ocurrencia de la etapa (a) consiste en modificar la trayectoria periódica (para la siguiente trayectoria elemental).

[0097] En otras palabras, existe por tanto una interpolación entre la posición del exoesqueleto 1 en el momento del impacto y el paso siguiente, con el fin de evitar un salto en las consignas. La interpolación tiene lugar en el momento del impacto y modifica el inicio de la trayectoria del paso siguiente. A continuación, la guía virtual se "desplaza" (una nueva ocurrencia de la etapa (b)) para que coincida con la posición actual, de modo que el siguiente paso pueda iniciarse con buen pie.

[0098] Equipos y sistemas

[0099] Según un segundo aspecto, la invención se refiere al exoesqueleto 1, para implementar el procedimiento según el primer aspecto, y según un tercer aspecto al sistema que comprende el exoesqueleto así como un posible servidor 10a, eventualmente juntos.

[0100] El exoesqueleto 1 comprende medios de procesamiento de datos 11c configurados para implementar el procedimiento según el segundo aspecto, así como, si es necesario, medios de almacenamiento de datos 12 (en particular los del primer servidor 10a), medios de medición inercial 14 (unidad de medición inercial), medios para detectar el impacto de los pies en el suelo 13 (sensores de contacto u opcionalmente sensores de presión), y/o un chaleco sensor 15. Tiene una pluralidad de grados de libertad incluyendo al menos un grado de libertad accionado por un accionador controlado por los medios de procesamiento de datos 11c para ejecutar dicho controlador.

[0101] El primer servidor 10a comprende medios de procesamiento de datos 11a para generar dicha trayectoria elemental teórica y suministrarla al exoesqueleto en la etapa (a), en particular al recibir la posición inicial del exoesqueleto 1 en el paso inicio y cualquier parámetro de marcha

[0102] Producto de programa de ordenador

[0103] Según un tercer y un cuarto aspecto, la invención se refiere a un producto de programa de ordenador que comprende instrucciones de código para ejecutar (en medios de procesamiento 11c), un procedimiento según el primer aspecto de puesta en movimiento de un exoesqueleto 1, así como medios de almacenamiento legibles por equipos informáticos en los que se encuentra dicho producto de programa de ordenador.

Claims

1. REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para poner en movimiento un exoesqueleto bípedo (1) que recibe un operador humano, comprendiendo el procedimiento la realización por medios de procesamiento de datos (11c) del exoesqueleto (1) de una etapa de:

(a) obtención de una trayectoria elemental teórica del exoesqueleto (1) correspondiente a un paso;

caracterizado porqueel procedimiento comprende además la realización, por los medios de procesamiento de datos (11c) del exoesqueleto (1), de las etapas de:

(b) parametrización de dicha trayectoria elemental teórica en función de un único parámetro, a fin de definir la trayectoria elemental teórica del exoesqueleto (1) como una guía virtual con un único grado de libertad;

(c) en respuesta a los movimientos forzados del exoesqueleto (1) efectuados por el operador humano, ejecución de un controlador que defina la evolución de una posición real del exoesqueleto (1) en función de dicho parámetro único simulando una conexión resorte-amortiguador entre el exoesqueleto (1) y dicha guía virtual, con el fin de realizar una trayectoria elemental real próxima a dicha trayectoria elemental teórica.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, que comprende repetir las etapas a) a c) para hacer que el exoesqueleto (1) camine por una sucesión de trayectorias elementales reales, cada una de las cuales corresponde a un paso.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que la trayectoria elemental teórica obtenida en la etapa (a) parte de una posición inicial, comprendiendo la etapa (c) la determinación de una posición final del exoesqueleto (1) al final de dicha trayectoria elemental real, utilizándose dicha posición final como posición inicial en la siguiente ocurrencia de la etapa (a).

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que dicha conexión resorte-amortiguador entre el exoesqueleto (1) y dicha guía virtual se simula en la etapa (c) suponiendo una fuerza de recuperación elástica y una fuerza de impedancia aplicadas a dicho exoesqueleto (1).

5. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que dicho controlador también supone que se aplica al exoesqueleto una fuerza de acompañamiento tangencial a dicha guía virtual.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, en el que la fuerza de recuperación elástica, la fuerza de impedancia y/o la fuerza de asistencia son función de un determinado nivel de asistencia del exoesqueleto (1).

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 4 a 6, en el que dicho controlador también supone que se aplica al exoesqueleto una fuerza que compensa el peso del exoesqueleto(1).

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 4 a 7, en el que dicha fuerza de recuperación elástica es función de una desviación entre la posición real del exoesqueleto (1) y una posición teórica del exoesqueleto (1) a lo largo de la guía virtual; y dicha fuerza de impedancia es función de una desviación entre una derivada de la posición real del exoesqueleto (1) y una derivada de la posición teórica del exoesqueleto (1) a lo largo de la guía virtual.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la posición del exoesqueleto (1) está definida por un vector de las posiciones articulares de los grados de libertad accionados del exoesqueleto (1).

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9, en el que dicho controlador define la evolución de la posición del exoesqueleto en función de la evolución de dicho parámetro único.

11. Exoesqueleto (1) que comprende medios de procesamiento de datos (11c) configurados para implementar un procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 10 para poner en movimiento el exoesqueleto (1).

12. Sistema que comprende un servidor (10a) y el exoesqueleto (1) según la reivindicación 11, comprendiendo el servidor (10a) medios de procesamiento de datos (11a) configurados para generar dicha trayectoria elemental teórica y suministrarla al exoesqueleto en la etapa (a).

13. Producto de programa de ordenador que comprende instrucciones de código para ejecutar un procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 10 para poner en movimiento un exoesqueleto (1), cuando dicho programa se ejecuta en un ordenador.

14. Medio de almacenamiento legible por un equipo informático en el que un producto de programa de ordenador comprende instrucciones de código para ejecutar un procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 10 para poner en movimiento un exoesqueleto (1).