ES2633305T3

ES2633305T3 - Dispositivo de distribución de carga para articulaciones humanas

Info

Publication number: ES2633305T3
Application number: ES11764970.7T
Authority: ES
Inventors: Stéphane BEDARD; Dany Lachance; Benoit Gilbert; Yves Roy
Priority date: 2010-04-07
Filing date: 2011-02-18
Publication date: 2017-09-20
Anticipated expiration: 2031-02-18
Also published as: EP2555720A4; US20130023800A1; CA2803035A1; US9370439B2; EP2555720B1; EP2555720A1; CA2803035C; WO2011123928A1

Abstract

Un dispositivo (100) de distribución de carga que tiene un elemento (110) de soporte próximo y un elemento (120) de soporte distal para transferir la tensión musculoesquelética en una articulación (13) a segmentos corporales asociados de una estructura (10) corporal de segmentos articulares dada de un usuario, el elemento (110) de soporte próximo incluye elementos (114a) de contacto posterior rígidos próximos y elementos (114b) de contacto anterior distal que ejercen sobre el segmento corporal próximo dos fuerzas (14a, 14b) opuestas para la transferencia de tensión musculoesquelética desde la articulación del usuario hasta el segmento corporal próximo, y elementos (115a) de contacto anterior próximo flexible y elementos (115b) de contacto posterior distal; el elemento (120) de soporte distal incluye elementos (124a) de contacto anterior próximo rígido y elementos (124b) de contacto posterior distal que ejercen sobre el segmento corporal dos fuerzas (24a, 24b) opuestas para la transferencia de tensión musculoesquelética desde la articulación del usuario hasta el segmento corporal distal, y elementos (125a) de contacto posterior próximo flexible y elementos (125b) de contacto anterior distal; el dispositivo (100) de distribución de carga comprende adicionalmente: un mecanismo (130) de accionamiento de esfuerzo de torsión que conecta de forma móvil los elementos (110) de soporte próximo y elemento (120) de soporte distal; un sistema (116, 150) de control se conecta de forma operativa al mecanismo (130) de accionamiento de esfuerzo de torsión; y una fuente (116) de potencia que suministra potencia al sistema de control y al mecanismo (130) de accionamiento de esfuerzo de torsión; en el que durante los movimientos ejecutados por el usuario, el mecanismo (130) de accionamiento de esfuerzo de torsión se configura para generar o disipar, bajo las direcciones del sistema (150) de control, un nivel establecido previamente de energía biomecánica que corresponde a una reducción de la tensión musculoesquelética deseada del usuario en la articulación (10), los elementos (114a, 114b, 115a, 115b) de contacto rígidos que aplican fuerzas opuestas se configuran para transferir la energía bioquímica desde la articulación (10) del usuario sobre los segmentos corporales próximo y distal.

Description

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fuerzas de reacción mínimas en los segmentos de las piernas. Con el fin de transferir la torsión del motor a los segmentos de la pierna sin fuerzas de reacción, el dispositivo 100 de distribución de carga se aplica dos fuerzas iguales, opuestas en dirección, en ambos segmentos de la pierna a través de la configuración agonista-antagonista de los elementos 114a, 114b, 124a, 124b y 115a, 115b, 125a, 125b de contacto. La magnitud de las fuerzas que se deben aplicar en los segmentos se determina de acuerdo con el par deseado y la distancia que separa las dos fuerzas opuestas. Con el fin de reducir la magnitud de las fuerzas aplicadas sobre la pierna del usuario, la distancia entre estas dos fuerzas debe ser máxima, tal como se expresa por la siguiente ecuación: imagen6

Ecuación 1

Se ha evaluado que para soportar 40 Kg durante flexión, una torsión máxima de 50 N*m es necesaria. Dado que la torsión deseada máxima es 50 N* m y la distancia entre los elementos 114a, 114b y 124a, 124b de contacto es de aproximadamente 160 mm (típico; determinado experimentalmente), la fuerza de contacto necesaria es entonces 310 N. Se ha evaluado experimentalmente que esta fuerza puede ser soportada por los tejidos de la pierna de una manera relativamente cómoda con elementos 114a, 114b y 124a, 124b de contacto 40 mm de ancho.

Las fuerzas preferiblemente se aplican a la pierna mediante compresión de los tejidos de la pierna. Para minimizar el movimiento del dispositivo 100 de distribución de carga en la pierna del usuario, es deseable aplicar estas fuerzas con un soporte rígido. En la realización ilustrativa, el dispositivo 100 de distribución de carga entonces, tiene cuatro elementos 114a, 114b y 124a, 124b rígidos de contacto con el que aplican las presiones deseadas a la pierna, y cuatro correas de sujeción para mantener el dispositivo 100 de distribución de carga en la posición apropiada.

Durante el funcionamiento normal, el dispositivo 100 de distribución de carga genera una torsión a la rodilla en ambas direcciones. Puesto que los elementos 114a, 114b y 124a, 124b de contacto sólo se pueden empujar sobre los tejidos de la pierna para generar la fuerza requerida, las fuerzas de dirección opuestas tienen que ser aplicadas por los elementos 115a, 115b y 125a, 125b de contacto, en la forma de correas de sujeción (el dispositivo 100 de distribución de carga tira de las correas de sujeción). Luego, es deseable determinar una dirección preferente de aplicación de torsión. En la dirección preferencial, los cuatro elementos 114a, 114b y 124a, 124b de contacto se utilizan para aplicar la torsión necesaria en la pierna, mientras que en la dirección no preferencial, se utilizan las cuatro tiras (es decir, elementos 115a, 115b y 125a, 125b de contacto). Se debe entender que en una realización alternativa, los elementos 115a, 115b y 125a, 125b de contacto, también pueden ser rígidos en lugar de ser flexibles, es decir, correas de restricción.

Haciendo referencia a la figura 3A, durante la extensión, la torsión de rodilla 13 está en la dirección 12a positiva. Esta actividad en particular se puede caracterizar como una torsión de magnitud positiva, que varía aplicada a la rodilla 13 en la dirección preferencial. Las cuatro palancas 14a, 14b y 24a, 24b de aplicación de fuerza del dispositivo 100 de distribución de carga se encuentran entonces con el fin de proporcionar un contacto de compresión con la pierna 10 en la dirección preferencial, lo que significa elementos 114a de contacto posterior próximo al muslo y elementos 114b de contacto anterior distal al muslo correspondientes a, respectivamente, palancas 14a y 14b de aplicación de fuerza, y elementos 124a de contacto de pierna proximal anterior y elementos 124b de contacto de un pierna posterior distal correspondientes a, respectivamente, palancas 24a y 24b de aplicación de fuerza. La distancia entre las palancas se maximiza con el fin de reducir al mínimo la presión de contacto sobre los tejidos, manteniendo dimensiones globales aceptables.

Con referencia ahora a la Figura 3B, durante la flexión, la torsión de la rodilla 13 es en la dirección 12b negativa. Esta actividad particular puede ser caracterizada como una torsión de magnitud negativa, variando la torsión de magnitud aplicada a la rodilla 13 en la dirección no preferencial. Las cuatro palancas 15a, 15b, y 25a, 25b de aplicación de fuerza del dispositivo 100 de distribución de carga se encuentran entonces con el fin de proporcionar un contacto de compresión con la pierna 10 en la dirección no preferencial, lo que significa un elemento 115a de contacto anterior próximo al muslo y un elemento 115b de contacto distal del muslo posterior correspondientes a, respectivamente, las palancas 15a y 15b de aplicación, y un elemento 125a de contacto posterior próximo dla pierna y un elemento 125b de contacto distal anterior dla pierna correspondiente a, respectivamente, palancas 25a y 25b de aplicación de fuerza. La distancia entre las palancas se maximiza con el fin de reducir al mínimo la presión de contacto sobre los tejidos, manteniendo las dimensiones globales aceptables.

Sistema de control

Haciendo referencia a la Figura 4, el sistema 150 de control, que puede estar encerrado en el recinto 116 electrónico (véase figuras 1 y 2), se conecta operativamente a la articulación 130 de compensación e incluye una unidad 152 de procesamiento con una memoria 153 asociada, una unidad 154 de sensor primaria, una unidad 156 de sensor complementaria opcional y un módulo 158 de interfaz de usuario. Se puede utilizar una unidad 160 de programación adicional para configurar la unidad 152 de procesamiento.

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usuario en tiempo real, etc. Estos datos son utilizados por la unidad 152 de procesamiento para controlar la articulación 130 de compensación y las operaciones generales del dispositivo 100 de distribución de carga.

En el bloque 204, se adquieren datos de la unidad 154 de sensor primaria. La unidad de sensor primaria proporciona, por ejemplo, mediciones de la posición de diversas partes que mueven la articulación 130 de compensación, así como de los momentos y fuerzas suministradas por la articulación 130 de compensación, y mediciones de aceleración y rotación de elementos 110 de soporte próximo y elementos 120 de soporte distales con respecto a la tierra y las fuerzas desarrolladas por la articulación 130 de compensación.

Un bloque 206, si se utiliza una unidad 156 de sensor complementaria, se adquiere datos del sensor de cortesía. La unidad de sensor complementaria proporciona, por ejemplo, mediciones de la posición de diversas partes en movimiento de la articulación 130 de compensación, así como de los momentos y las fuerzas suministradas por la articulación 130 de compensación, y mediciones de la aceleración y rotación de los elementos 110 de soporte próximo y elementos 120 de soporte distales con respecto a la tierra y las fuerzas desarrolladas por la articulación 130 de compensación.

A continuación, en el bloque 208, si se utiliza la unidad 156 de sensor complementaria, el proceso 200 verifica si los datos adquiridos de la unidad 154 de sensor primaria y la unidad 16 de sensor complementaria concuerdan. Si los datos de sensores no concuerdan, el proceso avanza hasta el bloque 210 donde el dispositivo 100 de distribución de carga se ve obligado a entrar en un modo de seguridad llamado "modo de funcionamiento seguro" cuando se está adquiriendo información en conflicto. El proceso 200 procede luego de nuevo al bloque 202 donde los nuevos datos de control pueden ser adquiridos o simplemente pasan por el bloque 204, donde se adquieren nuevos datos de sensor primario. Si los datos de los sensores concuerdan, el proceso 200 prosigue en el bloque 212.

En el bloque 212, la unidad 152 de procesamiento procesa los datos suministrados por la unidad 152 de sensor primaria, y si está presente la unidad 154 de sensor complementaria, con el fin de operar un circuito de control primario para el control de la articulación 130 de compensación y un circuito de control del sistema para controlar el comportamiento global del dispositivo 100 de distribución de carga.

El proceso 200 luego procede de nuevo al bloque 202.

Articulación de compensación

La articulación 130 de compensación es un mecanismo de accionamiento que ejerce una fuerza angular (es decir, torsión) en la articulación de pivote de los elementos 110 de soporte próximo y elementos 120 de soporte distal, con el fin de permitir que el dispositivo 100 de distribución de carga realice movimientos de flexión/extensión sobre una estructura de articulación a segmentos del cuerpo humano dado. Dependiendo del diseño los elementos 110 de soporte próximos y elementos 120 de soporte distales, la articulación 130 de compensación generalmente incluye por lo menos un sistema motorizado mecatrónico situado en la articulación de pivote lateral y/o medial de los elementos 110 de soporte próximo y elementos 120 de soporte distal.

Se pueden prever diversas arquitecturas para la articulación 130 de compensación. Sin limitar la presente invención a los siguientes mecanismos, la articulación 130 de compensación puede estar en la forma de un mecanismo electromecánico, hidráulico o neumático que puede generar o disipar una cierta cantidad de energía biomecánica. Independientemente de la aplicación técnica, la función principal de la articulación 130 de compensación es compensar, en la generación y disipación, una cierta cantidad de energía biomecánica en una estructura de articulación del cuerpo humano con el fin de mantener, restaurar o mejorar la capacidad biomecánica del usuario en la movilidad.

Un ejemplo de una solución electromecánica que se puede utilizar para la articulación 130 de compensación es la unidad armónica, que se puede implementar en un lado, es decir, ya sea en la unión de pivote lateral o medial del ensamble de distribución de carga, o en ambos lados, es decir, tanto en la unión de pivote lateral y medial del ensamble de distribuidor de carga. El accionamiento armónico es un mecanismo de transmisión compacto que permite altas relaciones de reducción dentro de una etapa de reducción simple (de 50: 1 a 160: 1), a diferencia de las unidades más tradicionales de engranajes planetarios donde se requieren múltiples etapas para obtener altas relaciones. Otras ventajas de esta tecnología son la alta relación de torsión/peso, el diseño intrínseco sin juego y la posibilidad de integrarlo coaxialmente con el motor.

La articulación 130 de compensación basada en el diseño de accionamiento armónico comprende dos componentes principales: la transmisión y el motor.

Transmisión

En la realización ilustrativa, el dispositivo 100 de distribución de carga está diseñado para proporcionar soporte al usuario en el rango de aproximadamente un tercio de la torsión de rodilla humana típica. Esta capacidad de torsión

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adicional se considera suficiente para compensar el esfuerzo adicional que sería necesario cuando un usuario lleva

una carga de alrededor de 80 libras (36 Kg). Es importante que el mecanismo de accionamiento, es decir, articulación 130 de compensación, no interfiera con los movimientos humanos típicos, tales como sentarse y de rodillas. En consecuencia, todos los componentes de la articulación 130 de compensación deben ser lo más compactos posibles y cerca del cuerpo del usuario.

El peso es también un parámetro importante a considerar, ya que puede afectar a la comodidad y eficacia del dispositivo 100 de distribución de carga. Un dispositivo más pesado es más exigente para el usuario y puede contrarrestar las ventajas previstas del dispositivo 100 de distribución de carga.

Teniendo en cuenta los factores mencionados anteriormente, un ejemplo de una tecnología de accionamiento adecuada es la unidad armónica. Las principales ventajas de esta tecnología son las siguientes: alta relación torsión/volumen (y peso) relación cuando se integra; disponible en grupos de componentes (permite diseños flexibles);

soporte integrado de salida disponible (menor complejidad del diseño); relación de transmisión alta en una sola etapa (50: 1); y eficiencia satisfactoria (aproximadamente 80%).

En la realización ilustrativa, el accionamiento armónico utilizado es la serie SHD Harmonic Drive suministrada por "Harmonic Drive LLC", que incorpora un soporte entre la entrada y la salida del reductor. Este rodamiento integrado permite un diseño más simple, más preciso y más compacto.

Teniendo en cuenta la capacidad de torsión y velocidad de cada modelo, el SHD-20-50 es muy adecuado para la presente solicitud, a saber tiene las siguientes características: Torsión de pico momentáneo: 69 Nm (requisito es 50 Nm); y

velocidad de salida máxima: 130 rpm (se requiere 120 rpm para funcionar a aproximadamente 10 Km/h). Con base en la capacidad de torsión de accionamiento armónico documentado, la vida esperada de la unidad debe tener más de 1500 km de locomoción de caminado típica.

Motor Una tecnología accionada eléctrica compacta y eficiente que se puede utilizar para el motor es el motor de corriente

continua sin escobillas. Este tipo de motor se vende a menudo en componentes separados (rotor y estator), por lo que es muy fácil de integrar en un diseño personalizado. El motor debe proporcionar una torsión suficiente y velocidad para aplicación. La torsión de salida dirigida es de 50

Nm, por lo tanto, con una relación de transmisión de 50: 1 el motor necesita ser capaz de proporcionar aproximadamente 1.2 Nm; después de considerar las pérdidas mecánicas de aproximadamente 20% en la transmisión. Adicionalmente, el motor necesita ser capaz de alcanzar una velocidad máxima de aproximadamente 6000 rpm para satisfacer el requisito de velocidad de ejecución (120 rpm en la salida). Un motor sin marco estándar de Kollmorgen se puede utilizar y tiene las siguientes características:

Torsión de pico = 1.53 Nm @ 21.3 A; Constante de torsión = 0.0855 Nm/A; Constante de velocidad = 8.95 V/Krpm; y resistencia del motor = 1.22 ohmios. En combinación con un amplificador de corriente que proporciona 20 A y 48 V, el motor puede suministrar lo

siguiente a la articulación de compensación: Torsión de salida de aproximadamente 57 Nm (50 Nm se desea); y velocidad máxima de alrededor de 107 rpm (se requiere 120 rpm durante funcionamiento alrededor de 10 km/h). Esto indica que el motor/amplificador es el elemento limitante de la velocidad máxima.

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Integración

Haciendo referencia a la figura 6, se muestra una vista de primer plano de la articulación 130 de compensación ensamblada. Los elementos 112 de marco próximo y elementos 122 distal de marco (véanse figuras 1 y 2) están conectados, respectivamente, a las abrazaderas superior 131 e inferior 132 y pueden girar uno respecto al otro dentro de aproximadamente 130 grados. Haciendo referencia a las figuras 7 y 8, los límites de rotación son determinados por topes 133a y 133b mecánicos que se integran en las abrazaderas superiores 131 e inferiores 132. El tope 133a mecánico delantero incorpora la disposición para el ajuste del ángulo máximo utilizando espaciadores de diferente grosor.

Con referencia de nuevo a la Figura 6, una carcasa 134 encierra los elementos de motor y transmisión (no mostrados) de la articulación 130 de compensación.

En la realización ilustrativa, se agrega un sensor 136 de torsión en la salida de la articulación 130 de compensación a través de, por ejemplo, un mecanismo de tipo de celda de carga fijada a la abrazadera 131 superior, pero que puede girar con respecto a la carcasa 134. La torsión de sensor 136 se distorsiona cuando una torsión es ejercida por la articulación 130 de compensación y proporciona datos de compensación en la forma de una señal acorde con la torsión ejercida o una medición de torsión, en función del tipo de sensor utilizado. Los datos de torsión luego se pueden utilizar como realimentación por el sistema 150 de control (véase Figura 3), proporcionando la capacidad de control de torsión.

Paquete de batería

El dispositivo 100 de distribución de carga incluye una fuente de energía en la forma de, por ejemplo, un paquete de baterías (no mostrado) para las necesidades de energía eléctrica de los componentes del dispositivo, tales como articulación 130 de compensación y sistema 150 de control. El paquete de baterías puede estar compuesto, por ejemplo, de un módulo de potencia de alta densidad o una red de dos o más de dichos módulos. La función principal de la batería es para suministrar la energía eléctrica necesaria para todos los componentes eléctricos dependientes incluidos en el dispositivo 100 de distribución de carga con el fin de proporcionar su funcionamiento correcto. La ubicación del paquete de batería en el cuerpo humano depende de la aplicación. En consecuencia, no existe ninguna restricción en relación con el posicionamiento de la batería. El paquete de batería se puede colocar dentro del dispositivo 100 de distribución de carga, por ejemplo dentro de la caja 116 electrónica, o fuera del dispositivo para fines de optimización de volumen.

Diversas soluciones relacionadas con módulos de potencia de alta densidad están disponibles y muchos de ellos cumplen los requisitos funcionales y las especificaciones técnicas de la presente invención. Para nombrar algunos ejemplos, existen paquetes de baterías de iones de litio empacables habituales de Microsun Inc. y de Energy Dense Power Systems que son adecuados para uso con el dispositivo 100 de distribución de carga.

En la realización ilustrativa, el paquete de baterías (no mostrado) comprende un módulo de potencia de alta densidad específicamente situado en la zona lumbar de la espalda del usuario, que se adjunta con un accesorio de correa de cinturón especializado que asegura la posición del paquete de batería al nivel de la cintura. Un par de cables especializados conecta la batería con cada dispositivo 100 de distribución de carga.

El diseño modular y la gestión de potencia de celda a celda son las principales características que caracterizan a un módulo de potencia de alta densidad.

Un ejemplo de un módulo de potencia de alta densidad que se puede utilizar con la realización ilustrativa comprende un conjunto de celdas de la batería fuera de plataforma, donde cada celda de batería se puede hacer funcionar de forma independiente, un módulo convertidor que transfiere la señal de potencia entre las celdas de batería y la carga de la aplicación (es decir, los componentes eléctricos de cada dispositivo 100 de distribución de carga), un circuito de vigilancia para evaluación en tiempo real de la actuación y el estado de los módulos de potencia y sus componentes, y un sistema de control para la gestión del proceso de carga/descarga durante el funcionamiento.

La gestión de potencia de celda a celda permite la carga y descarga de cada celda de la batería independientemente de los otros, permitiendo que el módulo de potencia de alta densidad proporcione su capacidad a plena potencia y garantice el equilibrio de la capacidad de potencia de cada celda de la batería .

El proceso de carga consiste en aplicar un nivel de tensión en una celda de batería de un conjunto que muestra una deficiencia de energía hasta que las condiciones de umbral de tensión/ corriente se cumplen con el fin de equilibrar la celda para la misma capacidad de potencia que los otros. El proceso de descarga se refiere a la supervisión de la capacidad de energía de cada celda de la batería para la detección y medición de una tensión de salida para una celda dada. Cuando esto ocurre, la capacidad de potencia de las otras celdas de la batería se reduce para alcanzar el mismo nivel que la celda defectuosa. Este procedimiento de descarga es seguido por el proceso de carga descrito anteriormente.

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Claims

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