IT201800009202A1 - Sistema di attuazione ad uscite multiple per giunti robotici - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo “Sistema di attuazione ad uscite multiple per giunti robotici”

DESCRIZIONE

Ambito dell’invenzione

La presente invenzione riguarda l’ambito della robotica indossabile per potenziamento e/o assistenza del movimento.

In particolare, l’invenzione riguarda un sistema per la gestione dell’attuazione e della sotto attuazione contemporanea di diversi giunti protesici e/o ortesici.

Descrizione della tecnica nota

Nell’ambito della robotica indossabile è sempre più ricercata la necessità di avere robot che abbiamo un rapporto peso/potenza il più basso possibile.

In generale la potenza del dispositivo è decisa a priori in fase di definizione delle specifiche funzionali. Ad esempio, la potenza complessiva che deve avere una protesi attiva di ginocchio e caviglia è diversa se il dispositivo deve assistere l’utilizzatore nella camminata, nella corsa o nel salire e scendere le scale.

Pertanto, definita la potenza necessaria sui vari giunti, la sfida è quella di ridurre il peso del dispositivo robotico in grado di esprimere tale potenza. Per compiere questa ottimizzazione, oltre a ridurre il peso dei materiali, l’unica possibilità è quella di ridurre i componenti concettualmente necessari per avere la funzionalità richiesta, quali ad esempio gli attuatori.

Vi sono, in tecnica nota, numerosi sistemi che cercano di avere un numero di attuatori inferiore al numero di giunti da movimentare in modo da ridurre il peso del sistema complessivo. Tuttavia, si tratta di sistemi spesso molto complessi e poco versatili, soprattutto perché non sono in grado di gestire differenti potenze sui giunti azionati da uno stesso attuatore, fallendo nel rispettare le specifiche richieste.

Sintesi dell’invenzione

È quindi scopo della presente invenzione fornire un sistema per la movimentazione di giunti robotici atti all’assistenza del moto di un utente che permetta di avere un numero di attuatori inferiore al numero di giunti da movimentare.

È inoltre scopo della presente invenzione fornire un siffatto sistema che permetta di gestire in maniera indipendente la potenza dedicata a ciascun giunto, pur non avendo un giunto ad esso dedicato.

È un altro scopo della presente invenzione fornire un siffatto sistema che permetta di variare configurazione di lavoro rapidamente e in maniera dinamica, a seconda dell’esigenza imposta dal moto dell’utente istante per istante.

È ancora scopo della presente invenzione fornire un siffatto sistema che permetta di gestire un numero indefinito di giunti a cui devono essere applicate potenze diverse tra loro.

Questi ed altri scopi sono raggiunti da un sistema per la movimentazione di giunti robotici atti all’assistenza del moto di un utente secondo le rivendicazioni da 1 a 15.

Il vantaggio principale della presente invenzione risiede nella possibilità di selezionare le varie configurazioni di connessione tra attuatori e giunti robotici in tempo reale durante il movimento dell’utente. In particolare, è possibile utilizzare uno stesso attuatore per movimentare giunti differenti, a seconda della fase del moto di un utente. Inoltre, lo stesso attuatore può essere utilizzato per attuare più giunti contemporaneamente, grazie al meccanismo di sottoattuazione. È dunque possibile avere un numero di attuatori molto inferiore ai giunti da movimentare, con un evidente risparmio in termini di peso ed ingombro rispetto alla tecnica nota tradizionale.

Inoltre, una pluralità di vie d’uscita può essere utilizzata per attuare uno stesso giunto, permettendo sostanzialmente di cambiare il rapporto di trasmissione, ossia la marcia del giunto.

Un ulteriore vantaggio può essere fornito utilizzando un’unità di controllo che permetta di automatizzare totalmente il sistema, mediante una sensoristica che fornisca all’unità di controllo informazioni sulla posizione, il moto e le intenzioni di un utente, in modo che possano essere selezionate in maniera intelligente le configurazioni ottimali di trasmissione del moto.

Breve descrizione dei disegni

Ulteriori caratteristiche e/o vantaggi della presente invenzione risulteranno più chiari con la descrizione che segue di una sua forma realizzativa, fatta a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni annessi in cui:

� la figura 1 mostra una rappresentazione grafica del principio di funzionamento del sistema secondo la presente invenzione;

� la figura 2 mostra, in maniera schematica e a titolo di esempio, una possibile forma realizzativa del sistema per la movimentazione di giunti robotici, secondo la presente invenzione, in cui sono presenti due gruppi attuazione per la movimentazione di cinque giunti robotici disposti in tutto il corpo dell’utente;

- la figura 3 mostra, in maniera schematica e a titolo di esempio, un’altra possibile forma realizzativa del sistema, in cui sono presenti due gruppi attuazione per la movimentazione di tre giunti robotici disposti in corrispondenza dell’anca, del ginocchio e della caviglia di un utente;

- la figura 4 mostra un esempio di implementazione del sistema su un esoscheletro per ginocchio;

- le figure 5A e 5B mostrano, in vista anteriore e posteriore, un esempio di implementazione del sistema su un esoscheletro per ginocchio e caviglia;

- le figure 6A e 6B mostrano alcune possibili forme realizzative dei mezzi di connessione che permettono di passare tra le varie configurazioni di trasmissione.

Descrizione di alcune forme realizzative preferite In figura 1 è mostrato uno schema esemplificativo del principio di funzionamento del sistema 1 per la movimentazione di giunti robotici, secondo la presente invenzione.

Il sistema comprende un numero p di giunti robotici (con k = 1,2, ...,p) e un numero n di gruppi di attuazione Gì (con i = 1,2, ...,n) . Ciascun gruppo di attuazione Gi comprende a sua volta una via di ingresso l i atta a fornire una coppia di ingresso Qi, e un numero mi di vie di uscita O (con j = 1,2, ..., m i ) .

In particolare, nell'esempio di figura 1 si ha p = 8 e n = 8. Nella tabella seguente sono riportati numericamente i dati puramente esemplificativi mostrati in figura 1.

Prendendo, ad esempio, il gruppo di attuazione G1, vediamo che esso comprende la via di ingresso l1 e m1 = 8 vie di uscita O1j , ossia le vie di uscita O11 , O12 , O13, O14, O15, O16, O17 , O18 . Inoltre, il gruppo di attuazione G1 è disposto nella configurazione C15 (evidenziato dal numero di caselle 15 campite), in cui la via di ingresso l1 è connessa contemporaneamente a h = 5 vie di uscita O1j, scelte fra le 8 sopra citate. E così via per i gruppi di attuazione G2 - G8.

Ciascuna delle vie di uscita Oij connesse alla rispettiva via di ingresso I 1 può trasferire una coppia di 20 uscita Tij ad uno o più degli 8 giunti robotici .

In figura 2 si ha un esempio di applicazione del sistema 1, in cui sono presenti due gruppi di attuazione G1 e G2 atti a movimentare 5 giunti robotici: R4 in corrispondenza della spalla, R2 in corrispondenza del gomito, R3 in corrispondenza del polso, R4 in corrispondenza del ginocchio, R5 in corrispondenza della caviglia.

In particolare, il primo gruppo di attuazione G1 comprende una via di ingresso I4 e due vie di uscita O11 e O12, mentre il secondo gruppo di attuazione G2 comprende una via di ingresso I2 e due vie di uscita O21 e O22 .

L'uscita O11 permette al primo di attuazione G1 di attuare i giunti R1, R2 e R3 mediante una prima catena di trasmissione del moto M11, mentre l'uscita O12 permette al primo di attuazione G1 di attuare i giunti R4 e R5 mediante una seconda catena di trasmissione del moto M12 . Il secondo gruppo di attuazione G2 invece può attuare i giunti R4 e R5 mediante una terza catena di trasmissione del moto M21 e il giunto R5 mediante una quarta catena di trasmissione del moto

M22 .

Questo permette ai giunti R4 e R5 di avere molteplici canali di attuazione, provenienti da diverse vie di uscita con diverse potenze, garantendo di adattarsi dinamicamente a diverse necessità di movimentazione, ad esempio durante le varie fasi di una camminata o addirittura nel passaggio tra una camminata ed una corsa. Il sistema infatti può semplicemente passare tra le varie configurazioni, che connettono e sconnettono le entrate e le uscite dei vari gruppi di attuazione, per modificare la potenza erogata sul singolo giunto. Ad esempio, è possibile fornire una coppia molto alta alla caviglia durante la fase di appoggio del piede, e successivamente ridurre la coppia ed aumentare la velocità di esecuzione, quando la caviglia si trova nella fase di distacco del piede da terra. Analogamente, e contemporaneamente, un simile passaggio tra diverse configurazioni del moto può essere fatto per il ginocchio e l’anca.

La figura 3 mostra una variante, anch’essa esemplificativa, del sistema 1, in cui vi sono due gruppi di attuazione entrambi applicati ai 3 giunti robotici della gamba.

La figura 4 mostra un esempio di implementazione del sistema 1 su un esoscheletro per ginocchio. In questo caso le due vie di uscita O11 e O12 attuano entrambe lo stesso giunto robotico R1, appunto quello del ginocchio, fornendo la possibilità di avere un’attuazione con due differenti rapporti di trasmissione, in maniera analoga a ciò che fa un cambio in un automobile.

Le figure 5A e 5B mostrano, in vista anteriore e posteriore, un esempio di implementazione del sistema su una protesi per ginocchio e caviglia. In questo caso, si hanno quindi due giunti robotici R1 e R2 ed un solo gruppo di attuazione G1 atto a passare tra varie configurazioni.

In particolare, si può avere una prima configurazione C11 in cui la via di ingresso (^) è connessa alla prima via 5 di uscita (OH) e in cui In tale configurazione, a seconda dell'impostazione delle catene di trasmissione del moto, si possono avere le seguenti ripartizioni di potenza:

- Tu applicata al primo giunto R1 ;

~ Γπ applicata al primo giunto R1 e al secondo giunto io K2;

Alternativamente si può avere una seconda configurazione C12 in cui la via di ingresso (^) è connessa sia alla prima via di uscita (OH) che alla seconda via di uscita 0^2 6 Q·^ — Tu “I<- >^12■ In tale configurazione, a seconda 15 dell'impostazione delle catene di trasmissione del moto, si possono avere le seguenti ripartizioni di potenza:

- TX1 applicata al primo giunto Rl r T12 applicata al primo giunto R1;

~ TX1 applicata al primo giunto Rl r T12 applicata al

20 secondo giunto R2;

- TX1 applicata al primo R1 e al secondo giunto R2, T12 applicata al secondo giunto R2 ;

~ Tu applicata al primo giunto R1 e al secondo giunto

^2 r T12 applicata al primo giunto R1 e al secondo

Ing. Salvatore Zappia ABM Agenzia Brevetti & Marchi Iscritto all 'albo N. 1646 giunto R2.

Le figure 6A e 6B mostrano alcune possibili forme realizzative dei mezzi di connessione 120 che permettono di passare tra le varie configurazioni di trasmissione.

In particolare, in figura 6A la via di ingresso Ii comprende un elemento di trasmissione 105 e le vie di uscita O11 e O12 comprendono elementi di ricezione 110 e 110’. Sono inoltre previsti mezzi di connessione 120 atti a passare tra una configurazione di disimpegno ed una configurazione di impegno. In particolare, sono presenti due elementi rotanti 125 e 125’, entrambi di tipo a “C”, atti a ruotare intorno a rispettivi assi x' e x′′. Gli elementi rotanti 125 e 125’ hanno due estremità con un profilo a forma di spirale logaritmica.

Grazie questa particolare geometria a forma di spirale logaritmica, nella configurazione di impegno l’elemento rotante 125 si impunta per attrito sulla parete degli elementi di ricezione 110 e 110’, permettendo di trasferire sia la coppia di ingresso ܳ sia la velocità angolare ω dalla via di ingresso alla via di uscita. Rispetto ad altre geometrie, la geometria a spirale logaritmica permette una trasmissione più efficace del momento angolare, in quanto la forza di attrito data dall’impuntamento aumenta con la rotazione: questo comporta la generazione di una connessione totalmente stabile tra l’elemento di trasmissione 105 e i vari elementi di ricezione fintanto che l’elemento rotante 125 non viene ruotato intorno all’asse di rotazione x′ per passare nella configurazione di disimpegno.

In particolare, ciascun elemento rotante a “C” può essere disposto nelle tre posizioni mostrate in figura con linea continua e tratteggio:

- in contatto con un elemento di ricezione con il profilo a spirale logaritmica in un primo verso; - in contatto con un elemento di ricezione con il profilo a spirale logaritmica nel verso opposto; - non in contatto con un elemento di ricezione.

Pertanto, posizionando opportunamente gli elementi rotanti 125 e 125’, è possibile connettere la via di ingresso alternativamente alla prima via di uscita, alla seconda via di uscita, a entrambe le vie di uscita o a nessuna, sia in un senso di rotazione che nell’altro.

In figura 6A è mostrata una variante analoga avente però 4 vie di uscita O11, O12, O13 e O14 con relativi elementi di ricezione 110a, 110b, 110a’, 110b’. Si hanno inoltre 4 elementi rotanti 125a, 125b, 125a’, 125b’, che oltre a ruotare intorno ai rispettivi assi x′ e x′′ possono anche traslare lungo di essi, permettendo di passare più rapidamente tra la configurazione di impegno e quella di disimpegno.

La descrizione di cui sopra di alcune forme realizzative specifiche è in grado di mostrare l’invenzione dal punto di vista concettuale in modo che altri, utilizzando la tecnica nota, potranno modificare e/o adattare in varie applicazioni tale forma realizzativa specifica senza ulteriori ricerche e senza allontanarsi dal concetto inventivo, e, quindi, si intende che tali adattamenti e modifiche saranno considerabili come equivalenti della forma realizzativa specifica. I mezzi e i materiali per realizzare le varie funzioni descritte potranno essere di varia natura senza per questo uscire dall’ambito dell’invenzione. Si intende che le espressioni o la terminologia utilizzate hanno scopo puramente descrittivo e per questo non limitativo.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un sistema (1) per la movimentazione di giunti robotici atti all'assistenza del moto di un utente, detto sistema (1) comprendendo: 5 — un predeterminato numero p di giunti robotici

   ( R-L - Rp), con k = l,2, ..., p ; — un predeterminato numero n di gruppi di attuazione Gì (G1 — Gn), con i= 1,2, ciascun gruppo di attuazione Gì comprendendo: 10 — una via di ingresso li (J-y — /n) atta a fornire una potenza di ingresso Qi,<m> — un predeterminato numero mi di vie di uscita Oij ciascuna via di uscita Oij essendo atta ad esprimere una potenza di uscita 15 Tij ; — un numero mi di catene di trasmissione del moto My (Mn - Mnmn) atte a trasferire dette potenze di uscita Tij ad almeno uno di detti giunti robotici Rk ! 20 detto sistema (1) essendo caratterizzato dal fatto che ciascun gruppo di attuazione Gt è atto a disporsi tra un numero mt di configurazioni Cih, in ciascuna configurazione Cih detta via di ingresso li essendo connessa ad un numero h di vie di uscita 0^, con 1< h < Ing. Salvatore Zappia ABM Agenzia Brevetti & Marchi Iscritto all 'albo N. 1646 mi. 2. Il sistema (1), secondo la rivendicazione 1, in cui è inoltre prevista un’unità di controllo atta a comandare ciascun gruppo di attuazione Gi per disporlo in una di dette configurazioni Cih. 3. Il sistema (1), secondo la rivendicazione 2, in cui è previsto almeno un sensore atto a fornire a detta unità di controllo informazioni riguardo il moto di un utente, detta unità di controllo essendo atta ad utilizzare dette informazioni per selezionare, per ciascun gruppo di attuazione Gi, una configurazione Cih idonea al moto di detto utente. 4. Il sistema (1), secondo la rivendicazione 3, in cui detto o ciascun sensore è scelto tra: - un sensore di movimento atto a fornire a detta unità di controllo informazioni riguardo posizione e/o velocità e/o accelerazione di una porzione di un corpo di detto utente; - un sensore di pressione atto a fornire a detta unità di controllo informazioni riguardo la distribuzione di pressioni in un oggetto esterno su una porzione di un corpo di detto utente; - un sensore di prossimità atto a fornire a detta unità di controllo informazioni riguardo la prossimità in un oggetto esterno su una porzione di un corpo di detto utente; - un sensore di posizione atto a fornire a detta unità di controllo informazioni riguardo la posizione e l’angolo di rotazione di detti giunti robotici Rk. 5. Il sistema (1), secondo una delle rivendicazioni <precedenti, in cui è presente un gruppo di attuazione ( G>1<) comprendente:> - una via di ingresso ( I1) atta a fornire una potenza <di ingresso (Q1);> - una prima via di uscita ( O11) atta trasferire una prima potenza di uscita T11 ad un primo giunto <robotico (R1) e/o ad un secondo giunto robotico >(R2), mediante una prima catena di trasmissione del <moto M11;> - una seconda via di uscita ( O12) atta trasferire una seconda potenza di uscita T12 a detto primo giunto <robotico (R1) e/o a detto secondo giunto robotico >(R2), mediante una seconda catena di trasmissione del moto ( M12); detto dispositivo di attuazione ( G1) essendo atto a disporsi tra una prima configurazione C11, in cui detta via di ingresso ( I1) è connessa a detta prima via di uscita ed una seconda configurazione

   in cui detta via di ingresso è connessa sia a detta prima via di uscita che a detta seconda via di uscita

   Il sistema (1), secondo la rivendicazione 5, in cui detta prima via di uscita e detta seconda via di uscita sono atte a trasferire, rispettivamente, detta prima potenza di uscita e detta seconda potenza di uscita a detto primo giunto robotico

   7 Il sistema (1), secondo la rivendicazione 5, in cui detta prima via di uscita è atta a trasferire detta prima potenza di uscita a detto primo giunto robotico e detta seconda via di uscita è atta a trasferire detta seconda potenza di uscita a detto secondo giunto robotico

   Il sistema (1), secondo la rivendicazione 5, in cui detta prima via di uscita è atta a trasferire detta prima potenza di uscita Γ11 a detto primo giunto robotico e detta seconda via di uscita è atta a trasferire detta seconda potenza di uscita sia a detto primo giunto robotico che a detto secondo giunto robotico

   Il sistema (1), secondo la rivendicazione 5, secondo la rivendicazione 1, in cui detta prima via di uscita

   e detta seconda via di uscita sono atte a trasferire, rispettivamente, detta prima potenza di uscita e detta seconda potenza di uscita T12 sia a detto primo giunto robotico che a detto secondo giunto robotico

   10. Il sistema (1), secondo la rivendicazione 1, in cui almeno una via di ingresso è connessa ad un attuatore elettrico. 11. Il sistema (1), secondo la rivendicazione 5, in cui detta prima catena di trasmissione del moto connette rigidamente detto primo giunto robotico e detto secondo giunto robotico

   12. Il sistema (1), secondo la rivendicazione 5, in cui è previsto un meccanismo di selezione (100) atto a far passare almeno un gruppo di attuazione tra dette configurazioni detto meccanismo di selezione (100) comprendendo almeno un elemento di impuntamento (125) atto a connettere per attrito, alternativamente o simultaneamente, detta via di ingresso a dette vie di uscita

   13. Il sistema (1), secondo la rivendicazione 5, in cui detta o ciascuna via di ingresso e dette vie di uscita comprendono elementi circolari concentrici fra loro. 14. Il sistema (1), secondo le rivendicazioni 5 e 13, in cui detta via di ingresso è posta tra detta prima via di uscita e detta seconda via di uscita

   15. Il sistema (1), secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui: — ciascuna via di ingresso comprende un elemento di trasmissione (105) atto a ruotare con velocità attorno ad un asse di rotazione

   — ciascuna via di uscita comprende un elemento di ricezione (110,110',110a,110b) atto a ruotare con velocità attorno a detto asse di rotazione

   e in cui sono previsti mezzi di connessione (120) atti a passare tra una configurazione di disimpegno ed una configurazione di impegno, in detta configurazione di disimpegno ciascuna via di ingresso essendo svincolata da detta o ciascuna via di uscita

   in detta configurazione di impegno detta via di ingresso essendo connessa ad un numero h di vie di uscita

   con e detto elemento di trasmissione (105) essendo connesso per attrito ad un numero h di rispettivi elementi di ricezione (110,110’,110a,110b,110a’,110b’) in modo tale che Qi =