IT201600120646A1 - Mano robotica sottoattuata - Google Patents

Description

PREMESSA

La presente domanda di brevetto per invenzione industriale riguarda una mano robotica sotto-attuata. CAMPO DELLA TECNICA

Il termine "mano robotica" si riferisce ad un dispositivo di estremità con ispirazione antropomorfa. A causa della complessità della mano umana, la creazione di un meccanismo che possa riprodurre fedelmente le sue funzioni pone molte sfide.

Le mani robotiche proposte in letteratura sono suddivisibili in tre categorie principali, a seconda del loro numero di gradi di libertà (DOFs - Degrees of Freedom) e del loro numero di gradi di attuazione (DOAs - Degrees of Actuation): completamente attuate, sotto-attuate e ad attuazione ridondante.

Le mani robotiche completamente attuate hanno un numero di gradi di libertà pari al numero di gradi di attuazione. Le mani robotiche sotto-attuate hanno un numero di gradi di libertà superiore al numero di gradi di attuazione. Le mani robotiche ad attuazione ridondante hanno un numero di gradi di libertà inferiore al numero di gradi di attuazione.

Le mani robotiche completamente attuate, nonostante siano capaci di prese efficienti, risultano estremamente complesse, e ciò le porta ad avere costi elevati ed una complessiva mancanza di robustezza. Ciò in misura ancora maggiore vale per le mani robotiche ad attuazione ridondante. Questo è il motivo principale per cui negli ultimi anni si è sviluppato un interesse crescente nei design sotto-attuati.

L'idea alla base della sotto-attuazione nella presa robotica è quella di utilizzare un sistema meccanico che, tramite l'utilizzo di elementi passivi come molle e limiti meccanici, si può conformare automaticamente alla specifica forma dell'oggetto impugnato, in modo che sia richiesto un numero di attuatori minore del numero di DOFs del manipolatore. Ciò si traduce in sistemi di controllo più semplici e nella riduzione del costo del manipolatore.

Uno dei modi per ottenere un meccanismo sotto-attuato è quello di ricorrere ai sistemi differenziali, che distribuiscono automaticamente un input su diversi output, con il rapporto fra tali output definito dal loro stato cinematico e dai parametri di progettazione del meccanismo stesso.

In particolare, secondo la terminologia dell'lnternational Federation for thè Promotion of Mechanism and Machine Science un meccanismo differenziale è "un meccanismo per cui il grado di libertà è due, e che può accettare due input per produrre un output, o può risolvere un singolo input in due output". Per ottenere più di due output possono essere utilizzati diversi moduli differenziali, configurati in serie o in parallelo a seconda delle esigenze, ognuno dei quali aggiunge 1 DOF al sistema. In generale, per ottenere n output sono quindi necessari (n - 1) stadi differenziali.

PRIOR ART

Sono note allo stato deN'arte, in particolare, mani robotiche sotto attuate che fanno uso di uno o più stadi differenziali per trasmettere il moto alle varie dita. Un esempio è descritto nel documento KR100848170. Un ulteriore esempio è descritto in JP2001277175, in cui viene descritta una mano robotica il cui schema cinematico, tratto dal documento citato, è mostrato in figura 1. Per quanto è possibile comprendere dall'esposizione contenuta nel documento, il meccanismo mostrato consente, mediante l'uso di tre stadi differenziali, di muovere le quattro dita affiancate di una mano (dall'indice al mignolo) per mezzo di un unico motore. Tale meccanismo tuttavia presenta una serie di limiti, legati al fatto che non è possibile muovere con lo stesso motore anche il pollice e legati al fatto che la costruzione del sistema utilizza un numero eccessivo di ruote dentate e pulegge, ed è quindi soggetto a troppi giochi ed attriti. Inoltre, in caso di guasto, le dita non sono semplicemente sostituibili e, anche quando funzionano, sono modellate esclusivamente come due falangi, non tre come avviene nella mano umana.

PROBLEMA TECNICO e SCOPO

Rimane pertanto irrisolto il problema di fornire una mano robotica sotto-attuata che superi i limiti legati a quanto già noto allo stato deN'arte, ed in particolare che consenta l'attuazione di tutte le dita, compreso il pollice, per mezzo di un unico motore, che sia di costruzione robusta e compatta e che consenta una semplice sostituzione delle dita, ad esempio in caso di guasto.

Un ulteriore problema tecnico è quello di fornire una mano robotica altamente sottoattuata, con meccanismo basato su ruote e cinghie dentate e senza l'uso di mezzi di attuazione unidirezionale, tipo i tendini.

Ancora un altro problema tecnico risolto dalla presente invenzione è quello di fornire mano antropomorfe di dimensioni e peso comparabili con quelli di un arto normale, riducendo il numero dei componenti attivi (motori) in modo da contenere il peso del dispositivo ed aumentarne l'utilizzabilità. l trovato oggetto della presente invenzione realizza gli scopi prefissati in quanto trattasi di una mano robotica antropomorfa comprendente: un palmo ed un metacarpo configurato per ruotare rispetto a detto palmo intorno ad un asse di rotazione; quattro dita allineate ed un dito ad esse opponibili, dette dita allineate comprendenti ciascuna almeno una falange prossimale, una falange media ed una falange distale e detto dito opponibile comprendente una falange prossimale ed una falange distale, le falangi prossimali di ciascuna di dette dita allineate essendo incernierate a detto palmo in rispettivi assi di rotazione e la falange prossimale di detto dito opponibile essendo incernierata a detto metacarpo in un rispettivo asse di rotazione; un motore; una pluralità di stadi differenziali a ruote coniche che trasmettono il moto da detto motore a dette dita allineate ed a detto dito opponibile caratterizzata dal fatto che detta pluralità di stadi differenziali comprende un primo stadio differenziale il cui portatreno è mosso da detto motore ed i cui solari muovono i portatreni di un secondo e quinto stadio differenziale,

i solari di detto secondo stadio differenziale essendo solidali ai portatreni di un terzo e quarto stadio differenziale, i solari di detto terzo e quarto stadio differenziale essendo configurati in modo da ingranare con rispettive quattro ruote dentate aventi asse coincidente con detti rispettivi assi di rotazione tra le falangi prossimali di dette dita allineate e detto palmo ed i solari di detto quinto stadio differenziale essendo configurati per far ruotare, rispettivamente, detto metacarpo ed una ruota dentata avente asse coincidente con detto rispettivo asse di rotazione tra la falange prossimale di detto dito opponibile e detto metacarpo.

In figura 1 è mostrato lo schema cinematico del dispositivo descritto in JP2001277175; In figura 2 è mostrato un modo di realizzazione preferenziale dello schema cinematico del dispositivo secondo la presente invenzione; in figura 3-a e 3-b è mostrato in dettaglio il modo in cui è realizzato, preferibilmente, il movimento di adduzione/abduzione delle dita; in figura 4 è mostrato uno schema con la collocazione dei gradi di libertà previsti per le varie componenti della mano antropomorfa secondo l'invenzione; nelle figure 5, 6 e 7 sono mostrate delle viste di una possibile modalità costruttiva della mano secondo l'invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

Nel modo di realizzazione descritto di seguito, il meccanismo presenta 20 gradi di libertà, di cui 15 controllabili attivamente e bidirezionalmente per mezzo dell'unico motore presente (100) e 5 passivi, che possono adattarsi entro certi limiti alla forma dell'oggetto impugnato, ma non possono essere comandati attivamente.

In virtù della complessità del meccanismo si ritiene utile anticipare i criteri secondo i quali è stata assegnata la nomenclatura.

Gli elementi dei cinque stadi differenziali a ruote coniche sono indicati con un numero da 0 a 4 (identificativo dello stadio) seguito dal numero 4 per il portatreno, 5 per la ruota solare destra e 6 per a ruota solare sinistra. Così, ad esempio, il portatreno del terzo stadio è indicato con il riferimento (24).

Le falangi sono indicate con riferimenti composti da un numero da 1 a 5 identificativo del dito, seguito dal numero 1 per la falange prossimale, 2 per la falange media, 3 per la falange distale e 0 per il metacarpo nel caso del pollice. Ad esempio quindi la falange media del dito anulare è indicata con il riferimento (42), la falange prossimale del pollice con il riferimento (11) e così via.

Per ogni dito inoltre sono indicate con il riferimento del dito seguito da 10 ed 11 la prima puleggia e la cinghia dentata di collegamento alla puleggia successiva. Analogamente sono indicate con il riferimento del dito seguito da 20 e 21 la seconda puleggia e la cinghia di collegamento alla puleggia successiva, seguito da 30 per la terza puleggia.

La seconda puleggia del dito medio, ad esempio, è indicata con il riferimento (320).

Per ogni dito inoltre è indicato con 40 l'asse di rotazione x (flessione/estensione) e con 41 il freno che agisce su tale asse di rotazione, con 60 l'asse di rotazione z (abduzione/adduzione). L'asse x del dito mignolo, secondo il criterio, è pertanto indicato con (540), il relativo freno con (541). L'asse di rotazione del metacarpo rispetto al palmo è indicata con 80 e con 81 è indicato il freno che agisce su tale asse di rotazione.

Avendo specificato i criteri di assegnazione dei riferimenti numerici, è ora possibile descrivere un modo di realizzazione preferenziale del meccanismo, il cui schema cinematico è mostrato in figura 2.

Si precisa che è mostrata una mano destra, osservata dalla parte del dorso della mano. Evidentemente l medesimo meccanismo potrà essere realizzato per una mano sinistra.

Nel modo di realizzazione mostrato è riprodotto il funzionamento di una mano robotica antropomorfa, dotata di quattro dita allineate, dall'indice al mignolo, e di un dito ad esse opponibili (pollice).

Tutto il meccanismo viene mosso dall'unico motore (100), e il moto viene distribuito per mezzo di una pluralità di stadi differenziali alle dita.

II portatreno (04) del primo stadio differenziale è mosso direttamente dal motore (100), ed il primo stadio differenziale trasmette il moto per mezzo del solare destro (05) agli stadi differenziali che muovono le quattro dita allineate e per mezzo del solare sinistro (06) allo stadio differenziale che muove il pollice. Per semplicità si è mantenuta la dicitura di solare destro e sinistro anche per il primo e il quinto stadio differenziale, indicando come ruota solare sinistra quella in basso in figura.

niziando l'analisi dal movimento delle quattro dita allineate, si nota dallo schema cinematico che il solare destro (05) del primo stadio differenziale ingrana con il portatreno (14) del secondo stadio differenziale. Il secondo stadio differenziale distribuisce il moto a due successivi stadi che si occupano il primo del movimento di indice e medio ed il secondo del movimento di anulare e mignolo.

l movimento viene quindi trasmesso al portatreno (14) dal solare destro (05) del primo stadio differenziale e successivamente suddiviso, per mezzo delle ruote solari (15, 16) ai successivi stadi differenziali.

Al fine di ottimizzare l'affidabilità e gli ingombri del meccanismo, il solare sinistro (16) del secondo stadio ed il portatreno (24) del terzo stadio sono solidali tra loro. Lo stesso accade per il solare destro (15) del secondo stadio che è solidale al portatreno (34) del quarto stadio.

Si precisa che l'aver reso solidali i solari (15, 16) del secondo stadio con i portatreni (24, 34) degli stadi successivi (anziché collegarli per mezzo di un accoppiamento a ruote dentate, come ad esempio avviene in JP2001277175) consente di ridurre gli ingombri e soprattutto i giochi e gli attriti del meccanismo.

Da un punto di vista costruttivo, come mostrato in figura 7 ed 8, gli stadi differenziali sin qui descritti sono preferibilmente stadi differenziali a ruote coniche.

Come anticipato il moto viene trasmesso dal terzo e quarto stadio differenziale alle dita allineate.

Prima di descrivere la trasmissione del moto, appare utile descrivere il modo di realizzazione preferenziale delle singole dita, sempre con riferimento in questa fase alle quattro dita allineate.

Ciascun dito è composto da tre falangi, tra loro incernierate a coppie intorno ad un asse di rotazione relativa. La falange prossimale del dito 1 è incernierata al metacarpo (10) intorno ad un asse di rotazione relativa, mentre le falangi prossimali delle dita dall'indice all'anulare ed il metacarpo (10) sono incernierati al palmo della mano, intorno ad un asse di rotazione relativa. La forma dei componenti (falangi, metacarpo e palmo) è tale per cui la rotazione consentita intorno a tutti i rispettivi assi di rotazione è limitata a valori similari a quelli fisiologicamente assunti dalle rispettive componenti della mano umana.

Senza che ciò sia limitativo per gli scopi dell'invenzione, secondo un modo preferenziale di realizzazione le dita allineate (dall'indice al mignolo), rispetto alla configurazione base con dita completamente estese, hanno la possibilità di flettere tra i 90 ed i 110° circa la falange prossimale, tra i 90 ed i 135° circa la falange media e tra gli 85 ed i 90° circa la falange distale. Per quanto riguarda il pollice invece, sempre a titolo indicativo, la flessione della falange prossimale può arrivare ai 70° circa, a flessione della falange distale ai 75° circa, mentre il metacarpo può avere una adduzione di 90° circa.

Si specifica che i movimenti e gli angoli indicati sono quelli controllabili attivamente, come spiegato in dettaglio nel seguito. Preferibilmente e non limitativamente, al fine di migliorare ulteriormente la somiglianza con la mano umana, il dispositivo secondo la presente invenzione può essere costruito con almeno una parte dei limiti meccanici non rigidi, con particolare riferimento ai imiti che interessano i movimenti di iperestensione delle dita. Per questi limiti meccanici può essere utilizzato del materiale elastico, con una rigidità sufficientemente elevata da non far andare in estensione le dita oltre la posizione base quando queste vengono attuate semplicemente dal motore, ed allo stesso tempo abbastanza cedevoli nel momento in cui vengono sollecitati passivamente. Per spiegare quanto sopra con un esempio si può fare riferimento al movimento di iperestensione delle dita della mano umana, che non riusciamo a controllare attivamente, ma che avviene ad esempio quando poggiamo le dita contro un tavolo e pieghiamo in dentro il palmo. I limiti meccanici in corrispondenza delle nocche avranno quindi una rigidezza tale da non deformarsi quando il motore esercita la coppia massima, ma deformabili nel caso in cui le dita della protesi vengano poggiate su un tavolo e il palmo piegato in dentro.

Nello spiegare i movimenti attivamente controllati delle dita, si farà ora riferimento per semplicità al dito indice, premettendo che, a meno delle evidenti differenze dimensionali, le altre dita sono realizzate nella medesima maniera. Il dito indice è incernierato al palmo della mano in corrispondenza dell'asse di rotazione (240) tra falange prossimale (21) e palmo (00). La prima puleggia dentata (210) è posizionata in corrispondenza di tale asse, ingrana con il solare sinistro (26) del terzo stadio differenziale ed è folle rispetto all'asse di rotazione. Si consideri che, da un punto di vista costruttivo, le prime pulegge dentate di ciascun dito (140, 240, 340, 440 e 540) sono convenientemente costituite da una ruota dentata solidale ad una puleggia dentata. La ruota dentata ngrana con il relativo solare degli stadi differenziali a ruote coniche, mentre la puleggia dentata è collegata alla puleggia successiva per mezzo di una cinghia dentata.

La prima puleggia (210) è collegata tramite la cinghia dentata (211) alla seconda puleggia dentata (220), che è folle rispetto all'asse di rotazione (250) relativa fra la falange prossimale (21) e media (22) del dito indice. Quest'ultima puleggia (220) è anche collegata tramite una seconda cinghia (221) alla terza puleggia dentata (230), che ha l'asse coincidente con l'asse di rotazione relativa fra la falange media (22) e la falange prossimale (23), ed è solidale a quest'ultima.

Essendo le prime due pulegge (210, 220) folli rispetto ai relativi assi, il moto del solare sinistro (26) del secondo stadio differenziale, trascurando per semplicità di esposizione gli attriti, viene trasmesso direttamente alla puleggia (230) solidale alla falange distale (23) del dito indice, senza che le falangi prossimali (21) e medie (22) ruotino. Una volta che la falange distale (23) arriva a contatto con 'oggetto da impugnare oppure arriva a fine corsa, il suo movimento è bloccato e la terza puleggia (230) ad essa solidale non può più ruotare. In virtù del collegamento per mezzo della cinghia dentata (221), non può a quel punto ruotare nemmeno la seconda puleggia (220) rispetto alla falange media (22), per cui quest'ultima comincia a ruotare rispetto alla falange prossimale. Quando anche la falange media (22) arriva in contatto con l'oggetto impugnato oppure arriva a fine corsa, anche la prima puleggia (210) si ferma in virtù del collegamento con cinghia dentata (211) con la seconda puleggia (220). Diventa quindi solidale alla falange prossimale (21) che è costretta a ruotare rispetto al palmo.

Quando anche quest'ultima è bloccata dall'oggetto impugnato (o arriva a fine corsa), il solare sinistro (26) del secondo stadio differenziale si ferma, per cui la coppia del portatreno (24) si scarica tutta sul solare destro (25), che trasmette in maniera assolutamente analoga il movimento al dito medio.

Se anche il dito medio si ferma (perché in contatto con l'oggetto da afferrare o perché tutte le rotazioni sono arrivate a fine corsa) non può ruotare nemmeno il relativo solare (25) del terzo stadio differenziale e, quindi, anche il relativo portatreno (24) si ferma.

n maniera del tutto analoga funzionano le dita anulare e mignolo, che sono mosse dal quarto stadio differenziale, rispettivamente per mezzo del solare sinistro (36) e destro (35).

Quando le dita dall'indice al mignolo sono a contatto con l'oggetto (o sono arrivate a fine corsa) anche il portatreno (14) del secondo stadio differenziale che trasmette loro il moto è costretto a fermarsi, fermando quindi anche il solare destro (05) del primo stadio differenziale con cui esso ngrana. In questo caso il portatreno (04) del primo stadio scarica tutta la coppia trasmessa dal motore (100) sul solare sinistro (06) che comanda il movimento del pollice.

l solare sinistro (06) del primo stadio differenziale ingrana con il portatreno (44) del quinto stadio differenziale, che distribuisce la coppia fra i movimenti di adduzione/abduzione (comandati dal solare sinistro 46) e flessione/estensione (comandati dal solare destro 45) del pollice.

Il solare sinistro (46) è solidale al metacarpo (10), per cui quando viene attuato tutto il metacarpo (10) ruota attorno all'asse (180), effettuando il movimento di adduzione/abduzione. Tale asse (180) non deve necessariamente coincidere con l'asse di rotazione dello stadio 0 come mostrato n figura 2, ma può avere un'inclinazione relativa rispetto a questa con lo scopo di rendere il manipolatore più simile ad una mano umana. In questo caso, chiaramente, il solare 06 e il portatreno 44 saranno delle ruote coniche adatte ad ingranare con la suddetta inclinazione relativa.

II solare destro (45) ingrana con la ruota (47) che a sua volta trasmette il moto alla puleggia 110, consentendo la flessione/estensione del pollice.

Quando anche metacarpo (10) e falangi (11, 13) del pollice entrano in contatto con l'oggetto mpugnato (o arrivano a fine corsa), il motore (100) è costretto a fermarsi. Controllando in corrente il motore si determina la coppia massima esercitata e, quindi, la coppia massima trasmessa alle dita che determina la forza della presa. Si può inoltre effettuare un controllo sulla velocità del motore con encoder (200) per controllare la velocità con cui la presa viene effettuata.

Sono evidenti quindi alcuni dei vantaggi del meccanismo appena descritto: per mezzo del controllo di un solo motore, all'utilizzatore della protesi bastano un movimento per aprire la mano e uno per chiuderla, indipendentemente dalla forma dell'oggetto da impugnare.

Inoltre il controllo della forza di presa può essere effettuato controllando il motore in corrente, e questo è attuabile in maniera semplice in una pluralità di modi.

Ad esempio la corrente può essere controllata in funzione del numero di segnali letti dagli elettrodi di comando in un determinato periodo di tempo (ad esempio: 1 segnale in 1 secondo per una presa dolce, 2 segnali in 1 secondo per una presa media, 3 segnali in 1 secondo per una presa di potenza).

In alternativa la corrente assorbita dal motore (e quindi la coppia da questo esercitata che determinata la forza della presa) può essere controllata in funzione dell'intensità dei segnali rilevati dagli elettrodi, correlandola in maniera direttamente proporzionale o secondo altra legge di taratura da definire.

La compattezza del meccanismo consente di posizionare all'interno del manipolatore anche la scheda di controllo (300), per cui il manipolatore acquisisce un ulteriore grado di modularità. Ciò si rivela particolarmente utile nel caso in cui questo debba essere utilizzato da soggetti con diversi livelli di amputazione: a titolo di esempio, per un'amputazione transradiale al modulo del manipolatore può essere aggiunto un modulo "polso" e un modulo "avambraccio", mentre nel caso di amputazione al di sotto del polso il modulo del manipolatore può essere utilizzato singolarmente.

Riassumendo, la coppia del motore viene dapprima divisa (dal primo stadio differenziale) tra il pollice e le altre quattro dita. Ciò fa si che, aM'equilibrio, la coppia esercitata dal pollice sia pari alla somma delle coppie esercitate dalle altre dita, condizione ottimale per effettuare le prese con pollice n opposizione. La coppia trasmessa al pollice viene suddivisa (dal quinto stadio differenziale) tra i movimenti di adduzione/abduzione e flessione/estensione, mentre la coppia trasmessa alle altre quattro dita viene dapprima suddivisa (dal secondo stadio differenziale) tra indice e medio da una parte ed anulare e mignolo dall'altra e, infine (dal terzo e quarto stadio differenziale) distribuita alle singole dita. La distribuzione automatica della coppia secondo lo schema cinematico appena descritto fa quindi in modo che, anche con l'utilizzo di un unico comando (1 grado di attuazione), le dita si adattino automaticamente alla forma dell'oggetto impugnato, sviluppando sempre la presa più stabile possibile.

E' altresì evidente, dalla descrizione del meccanismo appena effettuata, che il funzionamento è assolutamente analogo sia per il movimento di chiusura della mano che per il movimento di apertura della stessa. Infatti tutti i collegamenti utilizzati sono bidirezionali (ruote dentate e cinghie dentate) e non si fa alcun uso di elementi unidirezionali (tendini, tiranti...), che presentano peraltro il limite di non poter esercitare grandi forze e di avere maggiori attriti interni.

Un ulteriore vantaggio dell'utilizzo di differenziali a ruote coniche sta nell'indipendenza delle forze esercitate dai solari rispetto alla loro posizione cinematica. I differenziali a ruote coniche sono globalmente forza isotropici, per cui indipendentemente dalla posizione cinematica del dito esercitano una forza costante, assicurando performance costanti in tutto lo spazio di lavoro. Tale vantaggio viene esteso all'interno delle dita tramite l'utilizzo di trasmissione con cinghia, caratterizzata dall'indipendenza delle forze trasmesse dall'interasse fra le pulegge e dall'inclinazione relativa delle falangi.

Lo stesso non avviene con altri tipi di trasmissioni, quali quelle basate sui cavi, in cui le forze esercitate esibiscono un andamento variabile a seconda dell'inclinazione relativa delle falangi.

Fermo restando il concetto di distribuzione del moto esemplificato nello schema cinematico precedente, si descrivono di seguito alcuni accorgimenti costruttivi utili ad ottimizzare il funzionamento del meccanismo.

Preferibilmente in corrispondenza di tutti gli assi di rotazione delle falangi e dell'asse di rotazione del metacarpo sono presenti delle molle che esercitano una coppia elastica tra i vari elementi incernierati, preferibilmente nel verso di chiusura della mano.

La presenza delle molle, sebbene non indispensabile, consente di ottenere una serie di vantaggi. In primis le molle permettono di definire la posizione iniziale relativa fra le dita e fra le falangi di uno stesso dito. Ciò è particolarmente utile in fase di assemblaggio del dispositivo: sarebbe complesso settare la posizione iniziale del motore, corrispondente alla mano completamente chiusa tenendo tutti i giunti nella posizione corretta senza l'aiuto delle molle che lo facciano in automatico.

Ovviamente nel caso di molle montate nel verso di apertura della mano, sarà possibile assemblare il dispositivo nella posizione iniziale di mano completamente aperta.

Inoltre a causa dei giochi inevitabilmente presenti nei treni di ingranaggi, in assenza di molle il motore, prima di muovere le dita, ruoterebbe a vuoto solo per recuperare tali giochi. In presenza di molle, invece, le ruote sono sempre riportate, dalle molle, in una posizione che comporta un gioco nullo.

Come detto le falangi prossimali sono incernierate intorno ad un asse di rotazione relativa rispetto al palmo. Ovviamente, da un punto di vista costruttivo, in corrispondenza di tale asse sarà presente un albero.

Preferibilmente le falangi prossimali non sono direttamente a contatto con tale albero, ma fra falange e albero è interposto un cilindretto coassiale all'albero (240), visibile in figura 3 con riferimento, a titolo esemplificativo, al dito indice, realizzato in materiale elastico, che consente un certo grado di adduzione/abduzione delle dita.

E<1>importante notare che questo cilindro elastico (290) non si estende né nel palmo (o nel metacarpo nel caso del pollice) né nella zona centrale dell'albero, per cui il palmo (o il metacarpo nel caso del pollice) e la ruota folle relativa alla falange prossimale sono a diretto contatto con l'albero. Quando si avrà adduzione delle dita, come mostrato in figura 3b, la falange prossimale (21) (e con essa tutte le altre falangi e le relative ruote) ruoterà, mentre sia la ruota (210) relativa alla falange prossimale che il palmo (00) rimarranno fermi. Non si genera quindi alcun problema nel collegamento fra la ruota (210) della falange prossimale ed il relativo solare (26), perché i loro assi rimarranno sempre paralleli ed a distanza fissata, per cui l'ingranamento avverrà sempre come da progetto.

La rotazione avviene però fra la ruota dentata (210) relativa alla falange prossimale e la ruota dentata (220) relativa alla falange media. Queste tuttavia sono collegate tramite una cinghia dentata, e quindi considerando rotazioni massime di circa 10°, ciò non costituisce un problema per l'ingranamento.

Nell'applicare questo accorgimento il tecnico del settore assumerà ovviamente tutti quelli accorgimenti progettuali che consentano la mancanza di interferenza tra i vari componenti, quali ad esempio la previsione di un certo gioco, in senso assiale rispetto all'asse (240), tra la ruota (210) e la falange (21).

Si sottolinea inoltre che sia i limiti meccanici elastici sia i cilindri elastici che assicurano la presenza dei gradi di libertà passivi hanno anche lo scopo di attutire gli urti indesiderati del dispositivo, creando una "zona cuscinetto" fra dita e palmo che assicura una maggiore durata dei componenti utilizzati.

Secondo un ulteriore modo di realizzazione preferenziale, la mano antropomorfa sottoattuata oggetto della presente invenzione può essere realizzata in modo da consentire il controllo singolo di ciascun dito. Come spiegato infatti il moto dal motore (100) viene trasmesso a tutte le dita, fino a quando le stesse non sono bloccate da un oggetto in presa o da un fine corsa, e non presenta la possibilità di comandare singolarmente ciascun dito.

Tuttavia, poiché come spiegato per fermare ciascun dito (sia in fase di estensione che di flessione) è sufficiente che lo stesso incontri un ostacolo che impedisce la rotazione della falange prossimale rispetto al palmo (o rispetto al metacarpo nel caso del pollice), introducendo un freno (141, 241, 341, 441, 541) in corrispondenza di ciascuno di detti assi sarà possibile simulare la presenza di un ostacolo o di un fine corsa, e bloccare la flessione/estensione di quel dito.

In particolare in corrispondenza di ciascun dito il freno dovrà bloccare la prima puleggia folle o, equivalentemente, la ruota solare che trasmette il moto al dito.

Poiché il pollice ha tre gradi di libertà attivi rispetto al palmo della mano (due di flessione/estensione e uno di adduzione/abduzione, oltre ad un ulteriore grado di libertà passivo di adduzione/abduzione) per il pollice è necessario introdurre un secondo freno (181) per bloccare anche 'abduzione/adduzione del pollice (del metacarpo rispetto al palmo).

A titolo di puro esempio, se partendo dalla configurazione di mano aperta si vogliono chiudere il quarto e quinto dito (anulare e mignolo), sarà sufficiente azionare i freni (141, 181, 241, 341) relativi alle altre dita ed azionare il motore (100) nel senso di rotazione che imprime un movimento di chiusura alla mano, in modo da ottenere la configurazione desiderata.

E' evidente che lo schema cinematico mostrato è da intendersi esemplificativo e non limitativo degli scopi dell'invenzione. Si specifica, a titolo di esempio, che la dimensione dell'arto potrà essere modificata cambiando, secondo le necessità, il modulo delle ruote dentate, il numero di denti delle pulegge o la lunghezza delle cinghie dentate, mentre il rapporto di velocità fra il pollice e le altre dita (in assenza di carico, dal momento che sotto carico la configurazione assunta dalla mano è determinata dalle forze scambiate con l'oggetto in presa) può essere variato cambiando il rapporto di trasmissione fra il primo ed il secondo stadio differenziale a ruote coniche (ruote 05 e 14) o tra il primo ed il quinto (ruote 06 e 44). Il rapporto di velocità fra adduzione e flessione del pollice può essere nvece variato cambiando il rapporto di trasmissione fra la ruota 45 e la ruota a questa perpendicolare (47).

n figura 4 è mostrato uno schema dei gradi di libertà della mano. Nei nodi in cui vi è l'indicazione "1" ci si riferisce ad un grado di libertà controllabile attivamente. I nodi in cui è riportata la dicitura "1+1" si riferiscono a nodi in cui un grado di libertà è comandabile attivamente (estensione/flessione) mentre 'altro è passivo, e si può solo adattare alla forma dell'oggetto impugnato (adduzione/abduzione).

Secondo un ulteriore modo di realizzazione (non mostrato in figura) si può aumentare il numero di gradi di libertà della mano antropomorfa sottoattuata secondo l'invenzione, aggiungendo un'ulteriore piccola falange al pollice. Il pollice sarebbe a quel punto, per quanto riguarda il movimento di flessione/estensione, realizzato ed attuato in maniera assolutamente identica a quanto descritto per e altre dita.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Mano robotica antropomorfa comprendente: un palmo (00) ed un metacarpo (10) configurato per ruotare rispetto a detto palmo intorno ad un asse di rotazione (180); quattro dita allineate ed un dito ad esse opponibili, dette dita allineate comprendenti ciascuna almeno una falange prossimale (21, 31, 41, 51), una falange media (22, 32, 42, 52) ed una falange distale (23, 33, 43, 53) e detto dito opponibile comprendente una falange prossimale (11) ed una falange distale (13), le falangi prossimali (21, 31, 41, 51) di ciascuna di dette dita allineate essendo incernierate a detto palmo (00) in rispettivi assi di rotazione (240, 340, 440, 540) e la falange prossimale (11) di detto dito opponibile essendo incernierata a detto metacarpo (10) in un rispettivo asse di rotazione (140); un motore (100); una pluralità di stadi differenziali a ruote coniche che trasmettono il moto da detto motore (100) a dette dita allineate ed a detto dito opponibile; caratterizzata dal fatto che detta pluralità di stadi differenziali comprende un primo stadio differenziale il cui portatreno (04) è mosso da detto motore (100) ed i cui solari (05, 06) muovono i portatreni di un secondo (14) e quinto (44) stadio differenziale, i solari (15, 16) di detto secondo stadio differenziale essendo solidali ai portatreni (24, 34) di un terzo e quarto stadio differenziale, i solari (25, 26, 35, 36) di detto terzo e quarto stadio differenziale essendo configurati in modo da ingranare con rispettive quattro ruote dentate (210, 310, 410, 510) aventi asse coincidente con detti rispettivi assi di rotazione (240, 340, 440, 540) tra le falangi prossimali (21, 31, 41, 51) di dette dita allineate e detto palmo (00) ed i solari (45, 46) di detto quinto stadio differenziale essendo configurati per far ruotare, rispettivamente, detto metacarpo (10) ed una ruota dentata (110) avente asse coincidente con detto rispettivo asse di rotazione (140) tra la falange prossimale (11) di detto dito opponibile e detto metacarpo (10).
2. 2. Mano robotica antropomorfa secondo la rivendicazione 1 caratterizzata dal fatto che detti stadi differenziali sono a ruote coniche.
3. 3. Mano robotica antropomorfa secondo la rivendicazione 1 o 2 caratterizzata dal fatto che ciascuna di dette dita allineate comprende una prima (210, 310, 410, 510), una seconda (220, 320, 420, 520) ed una terza (230, 330, 430, 530) puleggia dentata, aventi asse di rotazione coincidente rispettivamente con gli assi di rotazione relativa tra dette falangi prossimali (21, 31, 41, 51) e detto palmo (00), tra dette falangi medie (22, 32, 42, 52) e dette falangi prossimali (21, 31, 41, 51) e tra dette falangi distali (23, 33, 43, 53) e dette falangi medie (22, 32, 42, 52), dette prime (210, 310, 410, 510) e seconde (220, 320, 420, 520) pulegge dentate essendo folli rispetto ai relativi assi di rotazione ed essendo tra loro collegate da una cinghia dentata (211, 311, 411, 511), dette terze pulegge dentate (230, 330, 430, 530) essendo solidali ciascuna alla rispettiva falange distale (23, 33, 43, 53) ed essendo collegate per mezzo di cinghie dentate (221, 321, 421, 521) a dette seconde ruote dentate (220, 320, 420, 520).
4. 4. Mano robotica antropomorfa secondo la rivendicazione 3 caratterizzata dal fatto che dette prime (210, 310, 410, 510) pulegge dentate di ciascun dito sono convenientemente costituite da una ruota dentata solidale ad una puleggia dentata.
5. 5 . Mano robotica antropomorfa secondo la rivendicazione 3 o 4 caratterizzata dal fatto che la forma di dette falangi (11, 12, 21, 22, 23, 31, 32, 33, 41, 42, 43, 51, 52, 53), di detto metacarpo (10) e di detto palmo (00) sono tali per cui la rotazione consentita intorno a tutti i rispettivi assi è limitata a valori similari a quelli fisiologicamente assunti dalle rispettive componenti della mano umana, e preferibilmente tra 90 e 110° per la falange prossimale, tra 90 e 135° per la falange media, tra 85 e 90° per la falange distale.
6. 6 . Mano robotica antropomorfa secondo la rivendicazione 3, 4 o 5 caratterizzata dal fatto che a flessione della falange prossimale (11) di detto dito opponibile può arrivare a 70°, la flessione della falange distale (13) di detto dito opponibile può arrivare a 75° circa, e detto metacarpo (10) può ruotare di 90° circa.
7. 7 . Mano robotica antropomorfa secondo la rivendicazione 5 o 6 caratterizzata dal fatto che almeno una parte dei limiti meccanici che definiscono gli angoli di rotazione tra le varie componenti sono realizzati con materiale elastico.
8. 8 . Mano robotica antropomorfa secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che in corrispondenza di tutti gli assi di rotazione relativi tra le falangi (140, 160, 240, 250, 260, 340, 350, 360, 440, 450, 460, 540, 550, 560) e dell'asse di rotazione (180) del metacarpo (10) sono presenti delle molle che esercitano una coppia elastica tra i vari elementi incernierati, preferibilmente nel verso di chiusura della mano.
9. 9 . Mano robotica antropomorfa secondo una delle rivendicazioni precedenti comprendente noltre un freno (141, 241, 341, 441, 541) singolarmente attivabile in corrispondenza di ciascuno di detti assi di rotazione relativa tra dette falangi prossimali e detto palmo e tra detto metacarpo e detto palmo.
10. 10. Mano robotica antropomorfa secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che tra dette falangi prossimali e l'albero su cui sono incernierate è interposto un cilindretto coassiale a detto albero (240) realizzato in materiale elastico, che consente un certo grado di adduzione/abduzione delle dita.