WO2019102052A1 - Sistema de asistencia motorizada - Google Patents

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    • A61H2230/62—Posture
    • A61H2230/625—Posture used as a control parameter for the apparatus

Definitions

  • the present invention relates to a system of motorized assistance, exoskeleton, which in its fullest version corresponds to a set of three orthoses that reproduce the movements of the muscles of the leg allowing an individual with locomotor disability, but with lower extremities Normal, I can walk.
  • In the simplest version corresponds to a corrective tibial orthosis of the equine foot, allowing those affected by this dysfunction to move normally. It is applicable in the field of orthopedics and rehabilitation.
  • the motorized assistance systems for displacement are based on lateralized systems, an articulated metal frame runs along the sides of the extremities and in them are inserted a series of engines that help or provide, fully, the locomotive function.
  • the developed orthoses are included under the name AFO (Ankle Foot Orthosis) in English (ankle and foot orthosis) and are very varied. From those that only perform a passive stabilization of the foot, keeping it constantly at 90 degrees, until the dynamics, which basically perform a thrust action on the base of the foot, by means of the lever mechanism on the twins of the leg. The most advanced of the latter, even allow to run. These systems are purely mechanical.
  • the main form of the invention would be encompassed in this second type of orthosis, since it comprises electronic equipment that coordinates the active elements of the orthosis, but with a very low cost and number of elements.
  • US2017027802 is known, as well as the oldest US 2009/0299243, which has a belt with two motors and two rods, one on each side of the user.
  • This system is effective when you want to act on both legs, to create a pendular movement, and act simply as an aid in locomotion. On the other hand, it can not serve as a substitution for the entire muscular movement. If said orthoses are applied to assist in the movement of a single leg, the user is decompensated, generating risks of falls or injuries. If one-legged movement with such devices is desired, a whole lower exoskeleton would be required, at least at that extremity in order to compensate for unwanted movements, and an exponential increase in energy requirements. No solution even mentions said possible use in only one leg.
  • the invention consists of a motorized assistance system according to the claims.
  • the motorized assistance system is a change of paradigm in these systems, being able to say that it is an "exomuscular" system rather than an exoskeleton to use. Reproduces the behavior of the muscles and tendons themselves, on the same axis, direction and direction, making the joint, with the minimum energy, behave as it normally would. That is, it faithfully reproduces the biomechanics of the locomotor system.
  • the current prototype has been designed thinking about people with reduced mobility, who walk with crutches, for example, or who have different types of disabilities, but not for total paraplegics (without any control over the lower extremities)
  • the system consists of three sections that, together and under the orders of a processor, or central microcontroller (CPU), which marks the times and angles of rotation of servomotors, actuators or different active parts, act on the orthoses, reproducing the movements of the muscles when walking, achieving the gradual, preprogrammed mobilization of the limb.
  • processor or central microcontroller (CPU)
  • CPU central microcontroller
  • the system consists of three orthoses (tibia, femur / thigh and hip) that can be assembled more or less independently according to the needs of the patient, or together, with what they perform independently all movements proper to the leg when walking.
  • tibial orthosis especially applicable to correct the equinus foot, with a tibial support that covers the user's shin, for example, a shin guard.
  • An ankle support articulated at the height of the ankle shaft with a plantar support. It also includes a processor or controller of the orthosis and its power supply.
  • the tibial support comprises a support of one or, preferably, two winches, motorized, of respective belts.
  • the free end of the first strap, or front strap is fixed to the front of the foot.
  • the winch collects the front strap when a sensor of the position of the foot indicates that it is not resting on the ground.
  • the second lathe does the same to a strap hooked to the back of the shoe ("back strap"), raising the heel to a signal either from one sensor or from another activator. Both movements are opposite and alternative, (elevation of the heel, elevation of the toe).
  • foot position sensors one or more pressure sensors disposed in the footrest and one or more accelerometers or gyroscopes are cited.
  • the processor and the power supply are also carried in the holder.
  • the free end of the front strap can be fixed to the foot by many methods, the most practical being:
  • a tie able to surround the foot For example, a flange that will be discarded because it is dirty.
  • a hitch in the shoe which must be designed to resist those tensions.
  • a hitch in an extension of the plantar support is
  • the free end of the back strap ideally would be hooked directly to the footwear, modified for that purpose on the rear sides after the game of the ankle, near the heel, so that the footwear rose directly and this in turn the heel.
  • the first is to ensure that the winch releases (and retakes) an adjustable amount of belt.
  • the second is to stop the winch when the belt resistance exceeds a programmable limit.
  • a load sensor will be included in the lathe or its motor.
  • the invention may also comprise a femur orthosis, located above the knee. It consists of a small system on the thigh that serves as a basis for two femur actuators:
  • the lower femur actuator is attached by a strap, preferably adjustable, to the tibial orthosis, producing the extension of the knee when operated.
  • the folding of the knee is produced by the combination of the movement of the hip orthosis and the second lathe of the tibia orthosis (which acts on the heel, elevating it).
  • the upper femur actuator is attached to a belt / harness (ideally of the shoulders), which can be shared with the hip orthosis, and performs a similar movement to lengthen or shorten its belt, simply as compensation for the first.
  • the resulting force is not lost in the natural lever of the lower femur actuator on the femur orthosis, nor on the thigh, but the maximum tractive force produces the desired effect (extension of the knee).
  • the active elements (lathe, strap) of the tibial orthosis can be eliminated or deactivated, only this being used as a passive orthosis, in order to perform only the extension of the knee.
  • the invention can be constituted as a hip orthosis, formed by a harness that also carries one or more hip actuators.
  • This hip actuator preferably comprises a front (solid) pull system (in front of the user) that modifies the angle so that the direction of stress is initially as parallel to the ground as possible (ie, it allows advancement with more efficiency). For this, for example, it will have a very high radius so that the movement, at the beginning, is practically straight and horizontal. Later, the leg will be raised with the rest of the movement of the frontal draft system.
  • This hip orthosis can be used independently of the others, or more preferably as a complement to complete the assistance to the user.
  • the activation button can be regulated in response to the needs. For example, if the user is going to climb a small step, the hip orthosis may need a somewhat larger action.
  • the hip orthosis solves the mechanical problem of loss of effective energy, by not having movements not desired of the orthosis itself (vertical and lateral). Unlike the previous solutions, which suffered and had to compensate them with synchronized, alternate and opposite movements (pendular movement) to avoid moving too much the orthosis itself and the energy to be dispersed in vacuous movements of the orthosis.
  • the hip orthosis can be used to fully replace the single-limb locomotor movement, without needing a complete exoskeleton, or repeating the same system in the other leg to compensate. It adjusts to the natural biomechanics, and does not produce strange movements to the natural ambulation, being therefore a substantial innovation, and solving critical mechanical problems, with respect to the aforementioned solutions.
  • Figure 1 general view of an embodiment of the motorized assistance system of the tibial orthosis, eliminating wiring to simplify the view.
  • Figure 2 scheme of the position of the different elements of another embodiment, at the moment in which the patient raises the heel of the floor.
  • Figure 3 diagram of the position of the different elements of the embodiment of figure 2, at the moment in which the foot is separated from the ground (in the air).
  • Figure 4 schematic view of the upper part of a more advanced embodiment, comprising the femur orthosis.
  • Figure 5 schematic view of an even more advanced embodiment, with the three orthoses fixed to one leg (dashed line).
  • the tibial orthosis shown in Figure 1 is part of a tibial support (1), covering the user's shin, which extends towards the lower part by means of a restraint of the ankle (2), and a plantar support (3), usually limited to the heel.
  • the union between the ankle support (2) (one part on each side of the ankle, although only one side is seen) and the plantar support (3) is made through a joint (4) that allows the rotation of both.
  • the joint (4) should be aligned with the axis of rotation of the ankle of the user or patient. This alignment will normally be done by a technician.
  • the tibial support (1) has a support (5) of electrical and mechanical equipment, consisting mainly of the processor (6) (CPU) and a motorized winch (7) of a belt (8).
  • the free end of the strap (8) is fixed to the foot, near the toe.
  • This fastening can be by means of a loop that surrounds the foot, a hook in the shoe or in an extension (3 ') of the plantar fastening (3), or another similar system.
  • the position of the lathe (7) will preferably be on the longitudinal axis of the foot, so that the belt (8) makes the movement easier and there are no lateral forces on the lathe (7). If desired, bypass pulleys may be installed.
  • the tibia orthosis may have a second lathe (7 ') with its rear strap (8') that performs the opposite movement of the joint. That is, it helps lift the heel (in conjunction with the movement of the hip orthosis causes semiflexion and unlocking of the knee).
  • the processor (6) will start the lathe (7) according to the readings of one or more pressure sensors (9) arranged in the plantar fastening (3) or in its extension.
  • the belt release movement (8) may not be motorized because the foot itself will pull it. It will be enough to release a brake (not shown). It is also possible to detect the position of the foot by means of gyroscopes or accelerometers.
  • the lathes (7) and (7 ') will normally be activated by two servomotors, and the length of the belts (8 and 8 ' ) that must be picked up, or detect when the resistance of the foot to the collection of the belts ( 8 and 8 ' ) exceeds a programmable limit.
  • the reaction can be modified if it detects that the user runs or jogs. This modification can be done via software, by detecting an increase in the frequency of changes in pressure. In the race, the point of no shot could be lower (higher in the course of the leg) or make the ascending route higher.
  • Figures 2 and 3 show the position of the different elements of the tibial orthosis in its simplest solution (only droop foot) during the support and elevation of the foot. This solution applies to cases in which the patient can not lift the toe.
  • Figure 2 shows the start of the movement in the simplest solution.
  • the patient raises the heel, causing a pressure sensor (9) of the signal to the CPU / processor (6) to send the lathe (7) to start the programmed collection of the belt (8) and raise the tip of the foot (figure 3).
  • an external actuator (a button for example) would give the signal to the CPU so that the second lathe (7 ') would perform said heel elevation. Said movement will be given while moving a hip actuator (14) of the hip orthosis that will be indicated later, complementing both to produce the knee release and the effective heel elevation (impossible if the knee remains blocked / stretched).
  • the second lathe (7 ') goes to rest and the lathe (7) is activated, as we have already described, while the lathe of the hip orthosis continues its movement, allowing the effective advance of Leg.
  • the preferred solution for the tibial support (1) is to apply a shin guard, which allows the support (5) to be placed in the desired position.
  • the ankle support (2) and the plantar support (3) can be constituted by an articulated ankle brace.
  • Figure 4 shows a more advanced embodiment, comprising most of the elements of the tibial orthosis, marked with the same references, as well as a femur orthosis.
  • the femur orthosis comprises a thigh fixation (10), located above the knee and in front of the patient.
  • the fixation carries two femur actuators (11, 12).
  • the lower femur actuator (11) is attached by a strap to the tibial orthosis.
  • the Upper femur actuator (12) is fixed by another belt to a belt, but more preferably to a harness (13) since it must be able to withstand the tension that moves the knee.
  • the extension of the knee occurs.
  • the upper femur actuator (12) performs the opposite movement (which also corresponds to lengthening or shortening the corresponding belt) to compensate the efforts and transfer them to the harness (13).
  • the active elements of the tibial orthosis can be eliminated or deactivated so that all the functions are performed by the femur orthosis, with the tibial orthosis being a passive orthosis.
  • FIG. 5 shows a hip orthosis, which starts from a shoulder harness (13) which is also used for the upper coupling of the femur orthosis.
  • the frontal draft and operation system is similar to the active parts of the other orthoses.
  • the hip actuator (14) pulling the corresponding belt has to be larger, and generally requires a front lever (15) to help reorient the effort.
  • the aim is to ensure that the movement is initially as parallel to the ground as possible instead of ascending (which is the natural movement of any actuator in that position and that of the others described in the invention).
  • the hip actuator (14) will be attached by the lever (15) and its strap to a leg fixation (16), which will normally be a loop or collar and is placed at the front of the thigh. This causes the movement of the hip actuator (14) to generate the swing of the limb, and finally a slight elevation thereof.
  • the lever (15) changes the radius of gyration of the hip actuator (14) and the point where the effort is made on the leg attachment (16).
  • the power supply will preferably be a rechargeable battery, made of lithium polymer, with a capacity of 1500 mAh or greater depending on the complexity of the system. The more orthoses must be active, the more capacity and power may be necessary.
  • the hip orthosis unlocks the knee by moving the leg, parallel to the floor, simultaneously , the second lathe (7 ') raises the heel, causing the semiflexion of the knee.
  • the second lathe (7 ') becomes inactive, and the lathe (7) is activated, raising the toe of the foot (at that time the foot is not resting on the ground), while the hip actuator (14) of the hip orthosis (whose movement is continuous), ends the swing and elevation of the leg, causing it to be forward to the body axis.
  • the femur orthosis proceeds to extend the knee just before the support and the system is ready to restart the step with the opposite leg.

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Abstract

Sistema de asistencia motorizado que comprende una órtesis de tibia con: Una sujeción tibial (1) que cubre la espinilla del usuario. Una sujeción de tobillo (2) articulada a la altura del eje del tobillo con una sujeción plantar (3). Un procesador (6); La sujeción tibial (1) puede comprender un soporte (5) de un torno (7), motorizado, en el que se engancha una correa (8) cuyo extremo libre está fijado al pie, de forma que el torno (7) recoge la correa (8) cuando un sensor de la posición del pie indica que no está apoyado. Alternativamente puede comprender una órtesis de fémur con sendos actuadores de fémur (1 1, 12) que recojan o suelten en paralelo senda correas, una unida a un arnés o cinturón (13) y la otra a la sujeción tibial (1). El sistema puede comprender como complemento o alternativa una órtesis de cadera.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de asistencia motorizada
SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención se refiere a un sistema de asistencia motorizada, exoesqueleto, que en su versión más completa corresponde a un conjunto de tres órtesis que reproducen los movimientos propios de los músculos de la pierna permitiendo que un individuo con discapacidad locomotora, pero con extremidades inferiores normales, pueda caminar. En la versión más simple corresponde a una órtesis tibial correctora del pie equino, permitiendo a los afectados por esta disfunción el movimiento normal. Es de aplicación en el campo de la ortopedia y la rehabilitación.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Los sistemas de asistencia motorizada al desplazamiento, popularmente conocidos como exoesqueletos, se basan en sistemas lateralizados, un armazón metálico articulado recorre los laterales de las extremidades y en ellos van insertados una serie de motores que ayudan o proporcionan, plenamente, la función locomotora.
Su mecanismo básico de actuación es elevar el cuerpo del paciente mediante motores, que deben soportar una gran carga de trabajo (casi el total del peso del paciente más el suyo propio).
El peso de dichos exoesqueletos, aunque se investiga y constantemente se trata de rebajar, es considerable. Además, al estar el peso distribuido en el lateral (motores y exoesqueleto en sí), cambia totalmente el centro del gravedad del paciente al moverse, siendo necesario el uso de giroscopios y sensores de inercia, que corrigen constantemente a los motores para mantener el simple equilibrio del propio sistema paciente/exoesqueleto a la hora de caminar.
Esta combinación de potencia de motores, sensores, peso, y distribución que en nada reproducen la biomecánica propia del ser humano, encarecen considerablemente el producto final. Por otro lado, y como muestra del grado de modularidad del sistema, nos centraremos en una de combinaciones más simples, como solución funcional a un trastorno motor concreto. El pie equino, denominado“drop foot’ en inglés, es una disfunción que impide el movimiento hacia arriba de la punta del pie, y por lo tanto dificulta andar e imposibilita correr. Para poder caminar, el paciente desarrolla, de diversas maneras, una sobrecompensación para paliar su deficiencia, dando como resultado una cojera que acarrea otra serie de problemas al sobrecargar grupos musculares y hacer que las articulaciones tengan un movimiento, un giro forzado o ambos. Sus causas son variadas, pero el tratamiento suele ser por órtesis.
Cuando ni el músculo ni el nervio tibial han sido afectados (no hay trauma, ni proceso de desmielinización), se han desarrollado dispositivos que estimulan dicho nervio, sustituyendo el impulso dimanante del sistema nervioso central, por una pequeña descarga en dicho nervio, justo por debajo de la rodilla, que activa el normal funcionamiento muscular. Si hay afección nerviosa, degenerativa, traumática o muscular, dichos dispositivos resultan inútiles.
Las órtesis desarrolladas se engloban bajo la denominación AFO ( Ankle Foot Orthosis) en inglés, (órtesis de tobillo y pie) y son muy variadas. Desde las que únicamente realizan una estabilización pasiva del pie, manteniéndolo constantemente a 90 grados, hasta las dinámicas, que básicamente, realizan una acción de empuje sobre la base del pie, mediante el mecanismo de hacer palanca sobre los gemelos de la pierna. Las más avanzadas de las últimas, permiten incluso correr. Estos sistemas son puramente mecánicos.
También existen prototipos electrónicos, que no han podido ser comercializados por los problemas que comprenden como, por ejemplo, necesidad de una gran batería o equipo electrónico.
La forma principal de la invención se englobaría en este segundo tipo de órtesis, pues comprende unos equipos electrónicos que coordinan los elementos activos de la órtesis, pero con un coste y un número de elementos muy reducidos.
En cuanto a prótesis de cadera, se conoce US2017027802, así como la más antigua US 2009/0299243, que dispone un cinturón con dos motores y dos vástagos, uno en cada lado del usuario. Este sistema es eficaz cuando se desea actuar sobre ambas piernas, por crear un movimiento pendular, y actuar simplemente como ayuda en la locomoción. En cambio, no puede servir como sustitución del movimiento muscular al completo. Si dichas órtesis se aplicaran para asistir en el movimiento de una única pierna, se descompensa al usuario, generando riesgos de caídas o lesiones. Si se desease realizar movimiento de una sola pierna con dichos dispositivos, se necesitaría un exoesqueleto inferior entero, al menos en dicha extremidad para poder compensar los movimientos no deseados, y un aumento exponencial en los requisitos energéticos. Ninguna solución menciona siquiera dicho posible uso en una sola pierna.
BREVE EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención consiste en un sistema de asistencia motorizado según las reivindicaciones.
El sistema de asistencia motorizado, es un cambio de paradigma en dichos sistemas, pudiendo decir que se trata de un sistema“ exomuscular más que de un exoesqueleto al uso. Reproduce el comportamiento de los propios músculos y tendones, en el mismo eje, sentido y dirección, haciendo que la articulación, con la mínima energía, se comporte como lo haría normalmente. Es decir, reproduce fielmente la biomecánica propia del sistema locomotor.
Está basado en el movimiento de balanceo que de manera natural realiza el ser humano al caminar, descargando de peso la pierna que vamos a mover, por lo que no es necesaria tanta potencia en los motores, como en los sistemas exoesqueleticos actuales, reduciendo drásticamente también su consumo energético.
Consigue una biomecánica perfecta, igual a la efectuada de manera natural por las personas sin lesión o incapacidad.
En el caso del pie equino, permite correr de manera natural. No requiere un esfuerzo constante sobre el gemelo como realizan algunas órtesis mecánicas. Por otro lado, requiere de un pequeño esfuerzo por parte del usuario, por lo que no atrofia los músculos.
En el sistema completo cargamos el peso en la pierna que queda fija, mientras descargamos de peso a la que vamos a mover, usando el mínimo de energía en cada movimiento. Los exoesqueletos convencionales levantan la totalidad del peso corporal, sin tener en cuenta ni aprovechar (hasta donde se puede observar), dicho juego de balanceo.
El prototipo actual se ha diseñado pensando en personas con movilidad reducida, que caminan con muletas, por ejemplo, o que tengan distintos tipos de minusvalía, pero no para parapléjicos totales (sin ningún control sobre las extremidades inferiores)
El sistema se compone de tres secciones que, en conjunto y bajo las órdenes de un procesador, o microcontroladora central (CPU), que marca los tiempos y ángulos de giro de los servomotores, actuadores o diferentes partes activas, actúan sobre las ortesis, reproduciendo los movimientos propios de los músculos al caminar, consiguiendo la movilización paulatina, preprogramada, de la extremidad.
El sistema se compone de tres órtesis (de tibia, de fémur/muslo y de cadera) que pueden ser ensambladas de manera más o menos independiente según las necesidades propias del paciente, o en conjunto, con lo que realizan de manera autónoma todos los movimientos propios de la pierna al caminar.
En concreto posee una órtesis tibial, especialmente aplicable para corregir el pie equino, con una sujeción tibial que cubre la espinilla del usuario, por ejemplo, una espinillera. Una sujeción de tobillo, articulada a la altura del eje del tobillo con una sujeción plantar. También comprende un procesador o controladora de la órtesis y su fuente de alimentación.
Además, la sujeción tibial comprende un soporte de uno o, preferiblemente, dos tornos, motorizados, de sendas correas. El extremo libre de la primera correa, o correa delantera, está fijado a la parte delantera del pie. En la solución más sencilla ("droop foot"), el torno recoge la correa delantera cuando un sensor de la posición del pie indica que no está apoyado en el suelo.
En la solución más completa, además de este primer movimiento descrito, el segundo torno hace lo propio a una correa enganchada a la parte trasera del calzado (“correa trasera”), elevando el talón a una señal bien de un sensor, bien de otro activador. Ambos movimientos son contrarios y alternativos, (elevación del talón, elevación de la puntera). Como ejemplos de sensores de la posición del pie se citan uno o más sensores de presión dispuestos en la sujeción plantar y uno o más acelerómetros o giroscopios.
En la solución más sencilla, el procesador y la fuente de alimentación están igualmente portados en el soporte.
Por su parte, el extremo libre de la correa delantera puede fijarse al pie por muchos métodos, siendo los más prácticos:
Un lazo capaz de rodear al pie. Por ejemplo, una brida que se desechará por estar sucia.
Un enganche en el zapato, que deberá diseñarse a propósito para resistir esas tensiones.
Un enganche en una prolongación de la sujeción plantar.
El extremo libre de la correa trasera idealmente iría enganchado directamente al calzado, modificado a tal efecto en los laterales posteriores tras el juego del tobillo, cerca del talón, de manera que se elevase directamente el calzado y este a su vez el talón.
Se pueden instalar poleas de derivación de las correas en el soporte para facilitar la orientación de las mismas.
Para el control de la carga del torno, se puede definir varias normas. La primera es asegurar que el torno libera (y retoma) una cantidad regulable de correa. La segunda es detener el torno cuando la resistencia de la correa supere un límite programable. Para ello se incluirá un sensor de carga en el torno o su motor.
La invención también puede comprender una órtesis de fémur, situada por encima de la rodilla. Se compone de un pequeño sistema sobre el muslo que sirve de base a dos actuadores de fémur:
• El actuador de fémur inferior está unido mediante una correa, preferiblemente ajustable, a la órtesis tibial, produciendo la extensión de la rodilla al accionarse. El plegado de la rodilla (flexión parcial), se produce por la combinación del movimiento de la órtesis de cadera y del segundo torno de la órtesis de tibia (que actúa sobre el talón, elevándolo). • El actuador de fémur superior se encuentra unido a un cinturón / arnés (idealmente de hombros), que puede compartir con la órtesis de cadera, y realiza un movimiento similar de alargar o acortar su correa, simplemente como compensación del primero. Así la fuerza resultante no se pierde en la natural palanca del actuador de fémur inferior sobre la órtesis de fémur, ni sobre el muslo, sino que la máxima fuerza tractora produzca el efecto deseado (extensión de la rodilla).
Si el paciente únicamente necesitase la órtesis de fémur, se pueden eliminar o desactivar los elementos activos (torno, correa) de la órtesis tibial, usándose únicamente ésta como órtesis pasiva, a fin de realizar únicamente, la extensión de la rodilla.
Finalmente, la invención puede constituirse como una órtesis de cadera, formada por un arnés que porta igualmente uno o más actuadores de cadera. Este actuador de cadera preferiblemente comprende un sistema de tiro (sólido) frontal (por delante del usuario) que modifica el ángulo para que la dirección de esfuerzo sea inicialmente lo más paralela al suelo posible (es decir que permita el avance con más eficiencia). Para ello, por ejemplo poseerá un radio muy elevado de forma que el movimiento, al principio, sea prácticamente recto y horizontal. Más adelante se levantará la pierna con el resto del movimiento del sistema de tiro frontal.
Esta órtesis de cadera puede utilizarse de forma independiente a las demás, o más preferiblemente como complemento para completar la asistencia al usuario.
Todo ello puede poseer un botón de activación, para que el sistema se active o desactive cuando el usuario lo necesite y no esté en reposo o detenido. Más aún, se podrá regular el botón de activación en respuesta a las necesidades. Por ejemplo, si el usuario va a subir un pequeño escalón, la órtesis de cadera podrá necesitar una actuación algo mayor.
Para corregir el pie equino, puede comprender un sensor de presión localizado en la planta del talón, que indica a la CPU cuando este se encuentra levantado o en contacto con el suelo, activando o desactivado del motor (elevando o no la puntera del pie).
La órtesis de cadera, entre otras ventajas respecto del estado de la técnica, soluciona el problema mecánico de perdida de energía efectiva, al no tener movimientos no deseados de la propia ortesis (verticales y laterales). A diferencia de las soluciones anteriores, que padecían y debían compensarlos con movimientos sincronizados, alternos y contrarios (movimiento pendular) para evitar mover demasiado la propia órtesis y que la energía se dispersase en movimientos vacuos de la órtesis. De esta forma, la órtesis de cadera puede ser usada para sustitución plena del movimiento locomotor de una sola extremidad, sin necesitar un exoesqueleto completo, ni de repetir el mismo sistema en la otra pierna para compensar. Se ajusta a la biomecánica natural, y no produce movimientos extraños a la natural deambulación, siendo por tanto una innovación sustancial, y resolviendo problemas mecánicos críticos, con respecto a las soluciones mencionadas.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para una mejor comprensión de la invención, se incluyen las siguientes figuras.
Figura 1 : vista general de un ejemplo de realización del sistema de asistencia motorizado, de la órtesis tibial, eliminando cableado para simplificar la vista.
Figura 2: esquema de la posición de los diferentes elementos de otra realización, en el momento en el que el paciente levanta el talón del suelo.
Figura 3: esquema de la posición de los diferentes elementos de la realización de la figura 2, en el momento en el que el pie se encuentra separado del suelo (en el aire).
Figura 4: vista esquemática de la parte superior de una realización más avanzada, que comprende la órtesis de fémur.
Figura 5: vista esquemática de una realización aún más avanzada, con las tres órtesis fijadas a una pierna (en línea discontinua).
MODOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
A continuación se pasa a describir de manera breve un modo de realización de la invención, como ejemplo ilustrativo y no limitativo de ésta.
La órtesis tibial mostrada en la figura 1 parte de una sujeción tibial (1), cubriendo la espinilla del usuario, que se prolonga hacia la parte inferior mediante una sujeción del tobillo (2), y una sujeción plantar (3), normalmente limitada al talón. La unión entre la sujeción del tobillo (2) (una parte por cada lado del tobillo, aunque sólo se aprecie un lado) y la sujeción plantar (3) se realiza a través de una articulación (4) que permite la rotación de ambas. La articulación (4) deberá estar alineada con el eje de rotación del tobillo del usuario o paciente. Esta alineación será normalmente realizada por un técnico.
La sujeción tibial (1) posee un soporte (5) del equipamiento eléctrico y mecánico, formado principalmente por el procesador (6) (CPU) y un torno (7) motorizado de una correa (8). El extremo libre de la correa (8) está fijado al pie, en cerca de la puntera. Esta fijación puede ser por medio de un lazo que rodee el pie, un enganche en el zapato o en una prolongación (3’) de la sujeción plantar (3), u otro sistema similar. La posición del torno (7) será preferiblemente sobre el eje longitudinal del pie, para que la correa (8) realice el movimiento más sencillo y no haya esfuerzos laterales sobre el torno (7). Si se desea, se podrán instalar poleas de derivación. La órtesis de tibia puede poseer un segundo torno (7’) con su correa trasera (8’) que realice el movimiento contrario de la articulación. Es decir, que ayude a elevar el talón (en conjunto con el movimiento de la órtesis de cadera provoca la semiflexión y desbloqueo de la rodilla).
En la solución más sencilla (droop foot) el procesador (6) pondrá en marcha el torno (7) según las lecturas de uno o más sensores de presión (9) dispuestos en la sujeción plantar (3) o en su prolongación. El movimiento de liberar correa (8) puede no estar motorizado porque el propio pie tirará de ella. Bastará con liberar un freno (no representado). Es igualmente posible detectar la posición del pie por medio de giroscopios o acelerómetros.
Los tornos (7) y (7’) estarán activados normalmente por dos servomotores, y se podrán regular la longitud de las correas (8 y 8') que debe recoger, o detectar cuándo la resistencia del pie a la recogida de las correas (8 y 8') supera un límite programable.
En la solución más sencilla (droop foot) si se desea, aunque no es realmente necesario, se puede modificar la reacción si detecta que el usuario corre o trota. Esa modificación puede hacerse vía software, al detectar un incremento de frecuencia en los cambios de presión. En carrera, el punto de no tiro podría ser menor (más alto en el recorrido de la pierna) o hacer que el recorrido ascendente sea mayor. En las figuras 2 y 3 se muestra la posición de los diferentes elementos de la órtesis tibial en su solución más simple (únicamente droop foot) durante el apoyo y la elevación del pie. Esta solución se aplica a los casos en que el paciente no puede levantar la punta del pie.
En la solución más compleja (en la que el paciente no pueda elevar el talón por si mismo), dicho movimiento lo realizaría el segundo torno (7’) de manera análoga (torno no representado en estas dos figuras, pero si en el a figura 1).
En la figura 2 se aprecia el inicio del movimiento en la solución más simple. El paciente eleva el talón, provocando que un sensor de presión (9) de la señal a la CPU / procesador (6) para que mande al torno (7) que inicie la recogida programada de la correa (8) y eleve la punta del pie (figura 3).
En una solución más compleja, un accionador externo (un botón por ejemplo) daría la señal a la CPU para que el segundo torno (7’), realizase dicha elevación de talón. Dicho movimiento se dará a la vez que se mueve un actuador de cadera (14) de la órtesis de cadera que se indicará más adelante, complementándose ambos para producir el desbloqueo de rodilla y la efectiva elevación de talón (imposible si la rodilla permanece bloqueada / estirada).
Un tiempo preprogramado después, el segundo torno (7’) pasa a reposo y se activa el torno (7), según ya hemos descrito, a la vez que el torno de la órtesis de cadera continua con su movimiento, permitiendo el avance efectivo de la pierna.
La solución preferida para la sujeción tibial (1) es aplicar una espinillera, que permite colocar el soporte (5) en la posición deseada. En cambio, la sujeción del tobillo (2) y la sujeción plantar (3) pueden estar constituidas por una tobillera articulada. Estos elementos ya están disponibles en el mercado y sólo sería necesaria su unión.
En la figura 4 se muestra una realización más avanzada, que comprende la mayoría de los elementos de la órtesis tibial, señalados con las mismas referencias, así como una órtesis de fémur.
La órtesis de fémur comprende una fijación del muslo (10), situada por encima de la rodilla y por delante del paciente. La fijación porta dos actuadores de fémur (11 ,12). El actuador de fémur inferior (11) está unido mediante una correa a la órtesis tibial. El actuador de fémur superior (12) está fijado mediante otra correa a un cinturón, pero más preferiblemente a un arnés (13) puesto que debe ser capaz de aguantar la tensión que mueve la rodilla.
Cuando se activa el actuador de fémur inferior (11) se produce la extensión de la rodilla. A la vez, el actuador de fémur superior (12) realiza el movimiento contrario (que corresponde igualmente a alargar o acortar la correa correspondiente) para compensar los esfuerzos y trasladarlos al arnés (13).
Si el paciente únicamente necesitase la órtesis de fémur, se pueden eliminar o desactivar los elementos activos de la órtesis tibial para que todas las funciones las realice la órtesis de fémur, pasando la órtesis tibial a ser una órtesis pasiva.
En la figura 5 se muestra una órtesis de cadera, que parte de un arnés (13) de hombros que es el utilizado también para el enganche superior de la órtesis de fémur. El sistema de tiro frontal y funcionamiento es similar a las partes activas de las otras órtesis. Sin embargo, el actuador de cadera (14) que tira de la correa correspondiente ha de ser mayor, y generalmente requiere de una palanca (15) frontal que ayude a reorientar el esfuerzo. Se trata de conseguir que el movimiento sea inicialmente lo más paralelo al suelo posible en lugar de ascendente (que es el movimiento natural de cualquier actuador en esa posición y el de los demás descritos en la invención). El actuador de cadera (14) estará unido por la palanca (15) y su correa a una fijación de pernera (16), que será normalmente un lazo o collar y está colocada en la parte delantera del muslo. Así provoca que el movimiento del actuador de cadera (14) genere el balanceo de la extremidad, y finalmente una ligera elevación de la misma. La palanca (15) cambia el radio de giro del actuador de cadera (14) y el punto desde donde se realiza el esfuerzo sobre la fijación de pernera (16).
La alimentación será preferiblemente por una batería recargable, de polímero de litio, con una capacidad de 1500 mAh o mayor según la complejidad del sistema. Cuantas más órtesis deban estar activas, más capacidad y potencia puede ser necesaria.
En uso, la versión más completa realiza las siguientes operaciones. Cuando el sensor de presión (9), uno o más acelerómetros, o un botón, indican al procesador (6) que es el momento de elevar la pierna, la órtesis de cadera desbloquea la rodilla moviendo la la pierna, paralelamente al suelo, simultáneamente, el segundo torno (7’) eleva el talón, provocando la semiflexión de la rodilla. En una segunda fase, el segundo torno (7’), pasa a estar inactivo, y se activa el torno (7), elevando la puntera del pie (en ese momento el pie no está apoyado en el suelo), a la vez que el actuador de cadera (14) de la órtesis de cadera (cuyo movimiento es continuo), finaliza el balanceo y elevación de la pierna, provocando que esta se adelante al eje del cuerpo.
Finalmente, en una tercera fase, la órtesis de fémur procede a extender la rodilla justo antes del apoyo y el sistema está listo para reiniciar el paso con la pierna contraria.

Claims

REIVINDICACIONES
1- Sistema de asistencia motorizado caracterizado por que comprende una órtesis tibial con:
una sujeción tibial (1) que cubre la espinilla del usuario;
una sujeción de tobillo (2) articulada a la altura del eje del tobillo con; una sujeción plantar (3);
un procesador (6) que recibe una señal de activación;
una fuente de alimentación;
y una parte activa seleccionada entre:
un soporte (5) de un torno (7), motorizado, de una correa (8) cuyo extremo libre está fijado al pie, de forma que el torno (7) recoge la correa (8) cuando el pie no está apoyado en el suelo, todo ello portado en la sujeción tibial (1) una órtesis de fémur formada por una fijación del muslo (10), situada por encima de la rodilla y por delante del paciente, un actuador de fémur inferior (11) unido mediante una correa a la sujeción tibial (1), y un actuador de fémur superior (12) fijado mediante otra correa a un arnés o cinturón (13), estando ambos actuadores de fémur (11 ,12) coordinados para recoger o soltar correa en paralelo cuando el pie no está apoyado en el suelo.
2- Sistema, según la reivindicación 1 , cuyo sensor de la posición del pie es uno o más sensores de presión (9) dispuestos en la sujeción plantar (3).
3- Sistema, según la reivindicación 1 , cuyo sensor de la posición del pie es uno o más acelerómetros o giroscopios.
4- Sistema, según la reivindicación 1 , cuyo procesador (6) está igualmente portado en el soporte (5).
5- Sistema, según la reivindicación 1 , donde el extremo libre de la correa (8) recogida en el torno (7) está fijado al pie por un método seleccionado entre:
un lazo capaz de rodear al pie;
un enganche en el zapato
un enganche en una prolongación (3’) de la sujeción plantar (3).
6- Sistema, según la reivindicación 1 , cuyo soporte (5) posee poleas de derivación de la correa. 7- Sistema, según la reivindicación 1 , cuyo torno (7) libera una cantidad regulable de correa.
8- Sistema, según la reivindicación 1 , cuyo torno (7) se detiene cuando la resistencia de la correa supera un límite programable.
9- Sistema, según la reivindicación 1 , cuya sujeción tibial (1) es una espinillera.
10- Sistema, según la reivindicación 1 , donde la sujeción del tobillo (2) y la sujeción plantar (3) están constituidas por una tobillera articulada.
11- Sistema, según la reivindicación 1 y con la órtesis de fémur, que comprende además una órtesis de cadera formada por un arnés o cinturón que sostiene un actuador de cadera (14), configurado para disponerse próximo a la cadera del usuario, que mueve una palanca (15) frontal cuyo extremo está configurado para unirse a la parte delantera del muslo del usuario.
12- Sistema de asistencia motorizado caracterizado por que comprende una órtesis de cadera formada por un arnés o cinturón que sostiene un actuador de cadera (14), configurado para disponerse próximo a la cadera del usuario, que mueve una palanca (15) cuyo extremo está configurado para unirse al muslo del usuario mediante una correa.
13- Sistema, según la reivindicación 1 , cuyo procesador (6) recibe la señal de activación de un sensor de la posición del pie que detecta si está apoyado en el suelo.
14- Sistema, según la reivindicación 1 , cuya órtesis de tibia comprende un segundo torno (7’) unido al talón del pie por una correa trasera (8’).
15- Sistema de asistencia motorizado caracterizado por que comprende una órtesis de cadera formada por un arnés o cinturón que sostiene un actuador de cadera (14), configurado para disponerse próximo a la cadera del usuario, que mueve una palanca (15) frontal cuyo extremo está configurado para unirse a la parte delantera del muslo del usuario mediante una correa
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