IT201800009208A1

IT201800009208A1 - Esoscheletro per l’assistenza di giunti poliarticolari

Info

Publication number: IT201800009208A1
Application number: IT102018000009208A
Authority: IT
Inventors: Andrea Baldoni; Simona Crea; Nicola Vitiello
Original assignee: Scuola Superiore Di Studi Univ E Di Perfezionamento Sant'anna
Priority date: 2018-10-05
Filing date: 2018-10-05
Publication date: 2020-04-05
Also published as: EP3860810B1; WO2020070713A1; EP3860810A1

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo “Esoscheletro per l’assistenza di giunti poliarticolari”

DESCRIZIONE

Ambito dell’invenzione

La presente invenzione riguarda il settore degli esoscheletri per l’assistenza al movimento delle articolazioni umane.

In particolare, l’invenzione riguarda una catena cinematica esoscheletrica atta ad assistere il movimento di una catena ossea poliarticolare.

Descrizione della tecnica nota

Nel settore della robotica indossabile, è sempre più sentita la necessità di trovare un’architettura semplice ed efficiente per realizzare esoscheletri per l’assistenza a giunti poliarticolari, quali ad esempio l’insieme di falangi che costituisce il dito della mano o la colonna vertebrale.

Ad oggi, sebbene ci siano numerosi esoscheletri che trattano il tema della mobilitazione, il problema tecnico ancora molto sentito riguarda l’ingombro ed il peso di questi dispositivi, che impediscono un’esperienza di movimento realmente naturale all’utente.

Inoltre, gli esoscheletri per l’assistenza ai giunti poliarticolari risultano essere molto complessi dal punto di vista cinematico, perché devono avere un effetto di rotazione su giunti anatomici multiassiali attraverso una cinematica che non è allineata al giunto, ma piuttosto disposta al di sopra o lateralmente. Questo comporta che il movimento del dito o della colonna verberale deve poter essere garantito rispettando gli eventuali movimenti passivi di auto allineamento delle articolazioni.

In questo scenario, sia per ridurre il peso degli attuatori sia per fornire un’esperienza d’uso più naturale possibile, risulta sempre più essenziale l’utilizzo di dispositivi robotici sottoattuati.

Un esempio di sottoattuazione è mostrato in US5447403, in cui è proposta una struttura a maglie per una protesi sott’attuata di mano. Il concetto essenziale è l’utilizzo di coppie di cavi che, opportunamente direzionati mediante pulegge, permettono di effettuare sia il movimento di flessione che quello di estenzione della mano protesica, in maniera analoga a quanto fanno i tendini articolari in una mano umana.

Tuttavia, la soluzione proposta in D1 è strettamente applicabile solo a robot ortesici e non mostra in nessun modo come tale soluzione possa essere traslata anche a dispositivi esoscheletrici, in cui i giunti anatomici e quelli robotici non possono ovviamente coincidere.

Sintesi dell’invenzione

È quindi scopo della presente invenzione fornire una catena cinematica esoscheletrica atta ad assistere il movimento di una catena ossea poliarticolare.

È inoltre scopo della presente invenzione fornire una siffatta catena cinematica esoscheletrica che permetta alla catena ossea un movimento fluido e naturale, in entrambi i sensi di rotazione.

È ancora scopo della presente invenzione fornire una siffatta catena cinematica esoscheletrica che sia meno pesante ed ingombrante rispetto ai dispositivi di tecnica nota.

Questi ed altri scopi sono raggiunti da una catena cinematica esoscheletrica secondo le rivendicazioni da 1 a 5.

Secondo un altro aspetto dell’invenzione, si rivendica un esoscheletro di schiena che fa uso della catena cinematica esoscheletrica di rivendicazione 1.

Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, si rivendica un esoscheletro di mano che fa uso della catena cinematica esoscheletrica di rivendicazione 1.

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 prima forma realizzativa della catena cinematica secondo la presente invenzione nella configurazione diritta;

- la figura 1A mostra la forma realizzativa di figura 1 nella configurazione curva;

- la figura 2 mostra una seconda forma realizzativa della catena cinematica secondo la presente invenzione nella configurazione diritta;

- la figura 2A mostra la forma realizzativa di figura 2 nella configurazione curva;

- la figura 3 mostra una terza forma realizzativa della catena cinematica secondo la presente invenzione nella configurazione diritta;

- la figura 3A mostra la forma realizzativa di figura 3 nella configurazione curva;

- la figura 4 mostra una quarta forma realizzativa della catena cinematica secondo la presente invenzione nella configurazione diritta;

- la figura 4A mostra la forma realizzativa di figura 4 nella configurazione curva;

- la figura 5 mostra un’implementazione della catena cinematica di figura 1 e 1A ad un esoscheletro per l’assistenza della spina dorsale;

- la figura 6 mostra un’implementazione della catena cinematica di figura 1 e 1A ad un esoscheletro per l’assistenza di un dito della mano.

Descrizione di alcune forme realizzative preferite Le figure 1 e 1A mostrano una prima forma realizzativa della catena cinematica esoscheletrica 100 atta ad assistere il movimento di una catena ossea poliarticolare 200, rispettivamente in una configurazione diritta ed in una configurazione curva.

In particolare, la catena ossea poliarticolare 200 può essere schematicamente suddivisa in una porzione anatomica di impegno 205, una pluralità di link ossei 210 ed una pluralità di giunti rotoidali anatomici 220. Ad esempio, la catena ossea poliarticolare 200 può essere la spina dorsale o un dito di mano. Per semplicità, in tutte le forme realizzative schematizzate nelle figure da 1 a 4A, vengono mostrati solo 3 link ossei 210, ma il principio rimane invariato in caso di un numero di link ossei 210 maggiore.

La catena cinematica esoscheletrica 100 comprende un telaio 105 connesso solidalmente alla porzione anatomica di impegno 205, un numero di link esoscheletrici 110 pari al numero di link ossei 210, ed un numero di giunti rotoidali esoscheletrici 120 pari al numero di giunti rotoidali anatomici 220. Il primo link esoscheletrico 110 è inoltre vincolato al telaio 105.

In particolare, i giunti rotoidali esoscheletrici 120 sono disposti a distanze predeterminate d j. Nel caso di figura 1, i due giunti rotoidali esoscheletrici 120 sono disposti a distanza d1. Questa distanza rimane invariata con la rotazione dei vari link 110 e 210.

In corrispondenza di ciascun giunto rotoidale esoscheletrico 120 è disposta una puleggia 125 atta a ruotare attorno ad un corrispettivo asse di rotazione x j. Un cavo 140 sostanzialmente inestensibile è vincolato solidalmente al link esoscheletrico all’estremità della cinematica esoscheletrica 100 opposta al telaio 105 ed è in contatto con ciascuna puleggia 125.

Inoltre, ciascun link esoscheletrico 110 è connesso ad un corrispondente link osseo 210 mediante un vincolo cinematico 130, in modo tale che ciascun vincolo cinematico 130 permetta la trasmissione di almeno una componente di forza F n ortogonale al link a cui sta trasferendo il moto rotatorio.

Se, ad esempio, la catena ossea 210 è una spina dorsale, quando essa viene distesa da un utente i link ossei 210 ruotano portandosi da una configurazione curva simile a quella di figura 1A ad una configurazione retta simile a quella di figura 1. In tal caso, il cavo 140 viene tirato e, scorrendo sulle pulegge 125, porta in rotazione i link esoscheletrici 110 attorno ai giunti esoscheletrici rotoidali 120. Mediante i rispettivi vincoli cinematici 130, viene trasmessa almeno una componente di forza F n ortogonale a ciascun link osseo 210, aiutando la spina dorsale a distendersi, sgravando il lavoro muscolare di un utente.

In particolare, sono previsti due cavi 140, da parti opposte rispetto ai link esoscheletrici 110, che possono essere trazionati in maniera alternativa da un attuatore in modo tale che i link esoscheletrici 110 possano ruotare in senso orario o antiorario a seconda dell’esigenza dell’utente.

In particolare, la forma realizzativa di figure 1 e 1A prevede che ciascun vincolo cinematico 130 comprenda un elemento a T 131, rotoidalmente connesso ad un corrispondente link osseo 210, ed un bipendolo, atto a connettere l’elemento a T 131 ad un corrispondente link esoscheletrico 110. In particolare, il bipendolo comprende due aste parallele 132 rotoidalmente connesse all’elemento a T 131 e al corrispondente link esoscheletrico 110 in modo tale che non si abbia rotazione relativa tra di essi.

La forma realizzativa di figure 2 e 2A prevede invece che ciascun vincolo cinematico 130 comprenda una slitta 133, atta a scorrere lungo un corrispondente link esoscheletrico 110, ed un’asta 134 atta a connettere la slitta 133 ad un corrispondente link osseo 210.

In alternativa, la forma realizzativa di figure 3 e 3A prevede che ciascun vincolo cinematico 130 comprenda una slitta 133 atta a scorrere lungo un corrispondente link esoscheletrico (110), ed un’asta (134) atta a connettere la slitta (133) ad un corrispondente link osseo (210).

In figure 4 e 4A è mostrata un’alternativa alla forma realizzativa di figure 1 e 1A, in cui il bipendolo 132 è connesso direttamente al ai giunti rotoidali 120 alle estremità del link esoscheletrico 110.

La figura 5 mostra un esempio di applicazione della catena cinematica di figure 4 e 4A ad un esoscheletro per l’assistenza al movimento della spina dorsale.

La figura 6 mostra un esempio di applicazione della catena cinematica di figure 4 e 4A ad un esoscheletro per l’assistenza al movimento della mano di un utente.

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

RIVENDICAZIONI 1. Una catena cinematica esoscheletrica (100) atta ad assistere il movimento di una catena ossea poliarticolare (200), detta catena ossea poliarticolare (200) comprendendo: - una porzione anatomica di impegno (205); - un numero i di link ossei (210), con 3 < i < n, uno di detti link ossei (210) essendo solidale a detta porzione anatomica di impegno (205); - un numero j di giunti rotoidali anatomici (220), con j = i − 1, ciascun giunto rotoidale anatomico (220) essendo atto a permettere una rotazione relativa θ j tra due link ossei (210) ad esso adiacenti; detta catena cinematica esoscheletrica (100) comprendendo: - un telaio (105) connesso solidalmente a detta porzione anatomica di impegno (205); - un numero i di link esoscheletrici (110), uno di detti link esoscheletrici (110) essendo solidale a detto telaio (105); - un numero j di giunti rotoidali esoscheletrici (120), ciascun giunto rotoidale esoscheletrico (120) essendo atto a permettere una rotazione relativa φ j tra due link esoscheletrici (110) ad esso adiacenti attorno ad un asse di rotazione x j; ciascun giunto rotoidale esoscheletrico (120) essendo disposto a distanza d j dal giunto rotoidale esoscheletrico (120) precedente lungo detta catena cinematica esoscheletrica (100), ciascuna distanza d j essendo costante per ogni valore di dette rotazioni relative φ j; ciascun link esoscheletrico (110) essendo connesso ad un corrispondente link osseo (210) mediante un vincolo cinematico (130), ciascun vincolo cinematico (130) essendo atto a permettere la trasmissione di almeno una componente di forza F n ortogonale a detto link esoscheletrico (110) e/o a detto corrispondente link osseo (210), detta catena cinematica esoscheletrica (100) essendo caratterizzata dal fatto che in corrispondenza di ciascun giunto rotoidale esoscheletrico (120) è disposta una puleggia (125) atta a ruotare attorno ad un corrispettivo asse di rotazione x j, e dal fatto che è previsto almeno un cavo (140) sostanzialmente inestensibile e vincolato solidalmente ad un link esoscheletrico (110) all’estremità di detta catena cinematica esoscheletrica (100) opposta a detto telaio (105), detto o ciascun cavo (140) essendo in contatto con ciascuna puleggia (125).
2. La catena cinematica esoscheletrica (100), secondo la rivendicazione 1, in cui detto vincolo cinematico (130) comprende un elemento a T (131), rotoidalmente connesso con un corrispondente link osseo (210), ed un bipendolo, atto a connettere detto elemento a T (131) ad un corrispondente link esoscheletrico (110), detto bipendolo comprendendo due aste parallele (132) rotoidalmente connesse a detto elemento a T (131) e a detto corrispondente link esoscheletrico (110) in modo tale che non si abbia rotazione relativa tra di essi.
3. La catena cinematica esoscheletrica (100), secondo la rivendicazione 2, in cui detto bipendolo (132) è atto a connettere detto elemento a T (131) ad un corrispondente link esoscheletrico (110) in corrispondenza di due giunti rotoidali esoscheletrici (120) ad esso adiacenti.
4. La catena cinematica esoscheletrica (100), secondo la rivendicazione 1, in cui detto vincolo cinematico (130) comprende una slitta (133), atta a scorrere lungo un corrispondente link esoscheletrico (110), ed un’asta (134) atta a connettere detta slitta (133) ad un corrispondente link osseo (210).
5. La catena cinematica esoscheletrica (100), secondo la rivendicazione 1, in cui detto vincolo cinematico (130) comprende un’asta (134) vincolata rotoidalmente sia ad un corrispondente link osseo (210) sia ad un corrispondente link esoscheletrico (110).
6. La catena cinematica esoscheletrica (100), secondo la rivendicazione 1, in cui è previsto almeno un attuatore atto a trazionare detto almeno un cavo (140) in modo da portare detti link esoscheletrici (110) a ruotare intorno a rispettivi giunti rotoidali esoscheletrici (120).
7. La catena cinematica esoscheletrica (100), secondo la rivendicazione 6, in cui sono previsti almeno due cavi (140) e detto almeno un attuatore è atto a trazionare alternativamente detti due cavi (140) in modo da portare detti link esoscheletrici (110) a ruotare intorno a rispettivi giunti rotoidali esoscheletrici (120) in senso orario o in senso antiorario.
8. Un esoscheletro di schiena (100’) per l’assistenza al movimento della colonna vertebrale (200’) di un utente, detto esoscheletro di schiena (100’) comprendendo: � un telaio connesso solidalmente ad una porzione del bacino di detto utente; � un numero ݅ di link esoscheletrici (110’), uno di detti link esoscheletrici (110’) essendo solidale a detto telaio; - un numero j di giunti rotoidali esoscheletrici (120’), con j = i − 1, ciascun giunto rotoidale esoscheletrico (120’) essendo atto a permettere una rotazione relativa φ j tra due link esoscheletrici (110’) ad esso adiacenti attorno ad un asse di rotazione x j; ciascun giunto rotoidale esoscheletrico (120’) essendo disposto a distanza d j dal giunto rotoidale esoscheletrico (120’) precedente lungo detto esoscheletro di schiena (100’), ciascuna distanza d j essendo costante per ogni valore di dette rotazioni relative φ j; ciascun link esoscheletrico (110’) essendo connesso ad una corrispondente vertebra (210’) di detta colonna vertebrale (200’) mediante un vincolo cinematico (130’), ciascun vincolo cinematico (130’) essendo atto a permettere la trasmissione di almeno una componente di forza F n ortogonale a detto link esoscheletrico (110’) e/o a detta corrispondente vertebra (210’), detto esoscheletro di schiena (100’) essendo caratterizzato dal fatto che in corrispondenza di ciascun giunto rotoidale esoscheletrico (120’) è disposta una puleggia (125’) atta a ruotare attorno ad un corrispettivo asse di rotazione x j, e dal fatto che è previsto almeno un cavo (140’) sostanzialmente inestensibile e vincolato solidalmente ad un link esoscheletrico (110’) all’estremità di detto esoscheletro di schiena (100’) opposto a detto telaio, detto o ciascun cavo (140’) essendo in contatto con ciascuna puleggia (125’).
9. Un esoscheletro di mano (100’’) per l’assistenza al movimento di un dito (200’’) della mano di un utente, detto esoscheletro di mano (100’’) comprendendo: - un telaio connesso solidalmente ad una porzione della mano di detto utente; - un numero i di link esoscheletrici (110’’), uno di detti link esoscheletrici (110’’) essendo solidale a detto telaio; - un numero j di giunti rotoidali esoscheletrici (120’’), con j = i − 1, ciascun giunto rotoidale esoscheletrico (120’’) essendo atto a permettere una rotazione relativa φ j tra due link esoscheletrici (110’’) ad esso adiacenti attorno ad un asse di rotazione x j; ciascun giunto rotoidale esoscheletrico (120’’) essendo disposto a distanza d j dal giunto rotoidale esoscheletrico (120’’) precedente lungo detto esoscheletro di mano (100’’), ciascuna distanza d j essendo costante per ogni valore di dette rotazioni relative φ j; ciascun link esoscheletrico (110’’) essendo connesso ad una corrispondente falange (210’’) di detto dito (200’’) mediante un vincolo cinematico (130’’), ciascun vincolo cinematico (130’’) essendo atto a permettere la trasmissione di almeno una componente di forza F n ortogonale a detto link esoscheletrico (110’’) e/o a detta corrispondente falange (210’’), detto esoscheletro di mano (100’’) essendo caratterizzato dal fatto che in corrispondenza di ciascun giunto rotoidale esoscheletrico (120’’) è disposta una puleggia (125’’) atta a ruotare attorno ad un corrispettivo asse di rotazione x j, e dal fatto che è previsto almeno un cavo (140’’) sostanzialmente inestensibile e vincolato solidalmente ad un link esoscheletrico (110’’) all’estremità di detto esoscheletro di mano (100’’) opposto a detto telaio, detto o ciascun cavo (140’’) essendo in contatto con ciascuna puleggia (125’’).