IT201800009210A1 - ACTIVE WEARABLE ROBOT WITH BACK JOINT - Google Patents
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Description
ROBOT ATTIVO INDOSSABILE CON ARTICOLAZIONE DI SCHIENA ACTIVE WEARABLE ROBOT WITH BACK JOINT
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione riguarda un robot attivo indossabile sottoattuato dove una delle uscite è associata ad un cinematismo articolato atto a corrispondere con la colonna vertebrale di un utilizzatore. The present invention relates to an under-implemented wearable active robot where one of the outputs is associated with an articulated mechanism adapted to correspond with the vertebral column of a user.
Con il termine robot indossabile attivo nella presente descrizione verrà indicato genericamente qualsiasi dispositivo protesico o esoscheletrico attuato meccanicamente e destinato ad essere indossato da un utilizzatore in ausilio al moto o in sostituzione di un arto e/o porzione corporea. The term active wearable robot in the present description will generally indicate any prosthetic or exoskeletal device implemented mechanically and intended to be worn by a user as an aid to motion or to replace a limb and / or body portion.
Come noto la complessità costruttiva di tali robot tende a renderli ingombranti e di peso elevato; pertanto, con i robot noti insorgono delle difficoltà nel pratico utilizzo, specialmente per alcuni soggetti (ad esempio anziani o soggetti di costituzione fisica gracile), che possono risultare persino impossibilitati a indossare il robot. In ogni caso, robot di tal genere sono comunque tendenzialmente scomodi o onerosi da indossare per tutti gli altri soggetti. As known, the constructive complexity of these robots tends to make them bulky and heavy; therefore, with known robots difficulties arise in practical use, especially for some subjects (for example elderly people or subjects with a frail physique), who may even be unable to wear the robot. In any case, robots of this kind tend to be uncomfortable or burdensome for all other subjects to wear.
La tecnologia pertanto si sta muovendo nell’ottica di cercare di ridurre l’ingombro e il peso dei robot indossabili. La riduzione di pesi ed ingombri nei robot esoscheletrici non solo consentirebbe una più comoda fruibilità da parte dell’utilizzatore ma anche una maggiore tollerabilità del robot stesso. Infatti, robot molto pesanti o anche solo ingombranti sono male accettati dall’utilizzatore, vuoi per la difficoltà di utilizzo, vuoi anche per il forte impatto estetico ed emotivo che provocano nell’uso. The technology is therefore moving with a view to trying to reduce the size and weight of wearable robots. The reduction of weights and dimensions in the exoskeletal robots would not only allow a more comfortable usability by the user but also a greater tolerability of the robot itself. In fact, very heavy or even bulky robots are badly accepted by the user, either because of the difficulty of use, or because of the strong aesthetic and emotional impact they cause in use.
Tuttavia, non sono ad oggi state rintracciate soluzioni tecniche soddisfacenti che consentano di raggiungere questo traguardo: la semplicità costruttiva infatti non è semplice da ottenere perché spesso le funzionalità richieste da questi sistemi di ausilio sono complesse e molteplici. Inoltre si deve tenere in considerazione che una ottenuta semplicità costruttiva non deve rappresentare un peggioramento nell’affidabilità e nella funzionalità del sistema. However, no satisfactory technical solutions have been found to date to achieve this goal: in fact, constructive simplicity is not easy to obtain because the functions required by these aid systems are often complex and multiple. Furthermore, it must be taken into account that an obtained constructive simplicity must not represent a deterioration in the reliability and functionality of the system.
Scopo della presente invenzione è pertanto quello di risolvere le problematiche sopra esposte di peso e complessità strutturale a parità di funzionalità e affidabilità dei robot attuali. The aim of the present invention is therefore to solve the above-mentioned problems of weight and structural complexity with the same functionality and reliability of the current robots.
In particolare è scopo della presente invenzione quello di fornire un robot attivo indossabile che consenta una semplificazione della catena di trasmissione meccanica della potenza del robot conservando allo stesso tempo una elevata affidabilità funzionale. In particular, the object of the present invention is to provide a wearable active robot which allows a simplification of the mechanical power transmission chain of the robot while at the same time maintaining a high functional reliability.
È ancora uno scopo della presente invenzione quello il robot secondo l’invenzione permetta una riduzione complessiva del peso. It is still an object of the present invention that the robot according to the invention allows an overall weight reduction.
Questi e altri scopi vengono raggiunti da un robot attivo indossabile secondo la prima delle rivendicazioni annesse. Ulteriori caratteristiche dell’invenzione sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti. These and other objects are achieved by a wearable active robot according to the first of the appended claims. Further features of the invention are the subject of the dependent claims.
Caratteristiche e vantaggi del sistema secondo la presente invenzione risulteranno più chiaramente dalla descrizione che segue di una sua forma realizzativa, fatta a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento alle figure annesse in cui: Characteristics and advantages of the system according to the present invention will become clearer from the following description of an embodiment thereof, given by way of non-limiting example, with reference to the attached figures in which:
- la figura 1 rappresenta schematicamente e in blocchi concettuali un gruppo di sottoattuazione applicato al robot secondo l’invenzione; - Figure 1 schematically represents and in conceptual blocks an under-implementation group applied to the robot according to the invention;
- la figura 2 è ancora una rappresentazione schematizzata a blocchi di un robot indossabile che installa il gruppo di sottoattuazione di figura 1; Figure 2 is again a schematic block representation of a wearable robot that installs the under-implementation assembly of Figure 1;
- la figura 3 mostra schematicamente una rappresentazione a blocchi di una specifica forma realizzativa dell’invenzione in cui il gruppo di sottoattuazione comprende mezzi sensori di coppia; - Figure 3 schematically shows a block representation of a specific embodiment of the invention in which the underactivation group comprises torque sensor means;
- le figure 4a e 4b mostrano da due diverse angolazioni una specifica forma realizzativa di un robot indossabile con un gruppo di sottoattuazione collegato a tre moduli articolabili che nello specifico sono due moduli di anca e un modulo di schiena; - Figures 4a and 4b show from two different angles a specific embodiment of a wearable robot with an under-actuation unit connected to three articulating modules which specifically are two hip modules and a back module;
- la figura 4c mostra in dettaglio un modulo articolabile atto ad interfacciarsi con la schiena di un utilizzatore; Figure 4c shows in detail an articulated module suitable for interfacing with the back of a user;
- la figura 5 raffigura un dettaglio del gruppo di sottoattuazione del robot di figure 4a e 4b; figure 5 shows a detail of the under-actuation group of the robot of figures 4a and 4b;
- la figura 6 mostra un esempio realizzativo di architettura di tipo SEA; - figure 6 shows an embodiment of a SEA-type architecture;
- le figure 7a e 7b illustrano concettualmente due possibili varianti realizzative del gruppo di sottoattuazione delle figure precedenti. - Figures 7a and 7b conceptually illustrate two possible embodiments of the under-implementation unit of the preceding figures.
Con riferimento alle summenzionate figure ed in particolare per il momento alle figure 1 e 2, è descritto un gruppo di sottoattuazione indicato globalmente con il numero di riferimento 1, destinato ad essere installato su di un robot indossabile attivo, indicato globalmente con il numero di riferimento 2. With reference to the aforementioned figures and in particular for the moment to Figures 1 and 2, an underactivation assembly indicated globally with the reference number 1 is described, intended to be installed on an active wearable robot, globally indicated with the reference number 2.
Con il termine robot indossabile attivo è indicato genericamente un qualsiasi dispositivo protesico o esoscheletrico attuato meccanicamente e destinato ad essere indossato da un utilizzatore in ausilio o in sostituzione ad un arto e/o porzione corporea. The term active wearable robot generically indicates any mechanically implemented prosthetic or exoskeletal device intended to be worn by a user as an aid or as a replacement for a limb and / or body portion.
Tornando all’invenzione, il gruppo di sottoattuazione 1 comprende mezzi di attuazione 10 che generano una coppia ad una uscita di moto primaria 100 per movimentare almeno due moduli articolabili 20, 21 del robot destinati a corrispondere, in uso, con rispettivi giunti corporei mono- o poli-articolari dell’utilizzatore. Returning to the invention, the under-actuation unit 1 comprises actuation means 10 which generate a torque at a primary motion output 100 to move at least two articulated modules 20, 21 of the robot intended to correspond, in use, with respective single body joints. or polyarticular of the user.
I mezzi di attuazione comprendono uno o più attuatori comandati da una sorgente di energia controllata da un controllore elettronico (non mostrato). Con il termine attuatore possono essere intesi attuatori di tipo lineare ma anche, ad esempio e non limitativamente motori elettrici, polimeri elettroattivi, sistemi di alimentazione di tipo idraulico quali ad esempio una pompa idraulica. The actuation means comprise one or more actuators controlled by an energy source controlled by an electronic controller (not shown). The term actuator can be understood to mean linear type actuators but also, for example and not limited to electric motors, electroactive polymers, hydraulic power systems such as for example a hydraulic pump.
Con il termine modulo articolabile esoscheletrico si intende poi un qualsiasi giunto attuabile del robot che abbia almeno un grado di libertà, quali ad esempio giunti di ginocchio, caviglia, gomito, polso. Si intendono comunque ricomprese in tale definizione anche strutture poliarticolate che comprendono catene cinematiche; strutture del genere sono atte ad essere in particolare associate alla schiena e segnatamente all’articolazione spinale dell’utilizzatore e in questo caso seguono e riproducono i movimenti della colonna vertebrale oppure al bacino dell’utilizzatore e in questo caso riproducono il movimento dell’articolazione bacino-anca. Un esempio di struttura poliarticolata atto all’applicazione in associazione all’articolazione bacino-anca è descritto nella domanda di brevetto WO2017216663 della stessa richiedente qui incorporata per referenza. The term exoskeletal articulated module then means any feasible joint of the robot which has at least one degree of freedom, such as for example joints of the knee, ankle, elbow, wrist. In any case, polyarticulated structures that include kinematic chains are also included in this definition; structures of this kind are suitable to be associated in particular with the back and in particular with the spinal joint of the user and in this case they follow and reproduce the movements of the vertebral column or the pelvis of the user and in this case reproduce the movement of the pelvis joint -hip. An example of a polyarticulate structure suitable for application in association with the pelvis-hip joint is described in patent application WO2017216663 of the same applicant incorporated herein by reference.
Un esempio di struttura poliarticolata specificatamente atta all’associazione con la colonna vertebrale dell’utilizzatore sarà invece fatta più avanti nel proseguo della descrizione. An example of a polyarticulate structure specifically suitable for association with the user's spine will instead be made later in the description.
Come sopra accennato, i mezzi di attuazione 10 definiscono l’uscita di moto primaria 100 a cui è collegato un primo elemento di distribuzione del moto 11. Il primo elemento di distribuzione del moto 11 riceve quindi in ingresso 100’ la coppia generata in uscita dai mezzi di attuazione 10. As mentioned above, the actuation means 10 define the primary motion output 100 to which a first motion distribution element 11 is connected. The first motion distribution element 11 therefore receives at its input 100 'the torque generated at the output of the means of actuation 10.
Il primo elemento di distribuzione del moto 11 definisce inoltre due uscite di moto derivate differenziali 110 e 111 ciascuna delle quali atta a connettersi con un rispettivo modulo articolabile 20, 21 del robot o con un secondo elemento di distribuzione del moto 12, 12’ a sua volta interfacciato operativamente con ulteriori almeno due moduli articolabili esoscheletrici 20’, 21’, 20’’, 21’’. The first motion distribution element 11 further defines two differential derivative motion outputs 110 and 111 each of which is adapted to connect with a respective articulated module 20, 21 of the robot or with a second motion distribution element 12, 12 'in its once operationally interfaced with at least two further articulated exoskeletal modules 20 ', 21', 20 '', 21 ''.
Pertanto, i mezzi di attuazione 10, pur definendo una uscita di moto primaria 100 ottengono la movimentazione di almeno due moduli articolabili 20, 21, grazie all’interposizione del primo elemento di distribuzione del moto 11 che riceve il moto in ingresso dai mezzi di attuazione e lo distribuisce in modalità differenziale (cioè a guisa di differenziale) alle due uscite derivate 110, 111 e quindi, di conseguenza, ai moduli articolabili esoscheletrici ad esse collegati operativamente. Therefore, the actuation means 10, while defining a primary motion output 100, obtain the movement of at least two articulated modules 20, 21, thanks to the interposition of the first motion distribution element 11 which receives the input motion from the actuation means and distributes it in differential mode (ie in the form of a differential) to the two derived outputs 110, 111 and therefore, consequently, to the articulated exoskeletal modules operatively connected to them.
I moduli articolabili esoscheletrici attuabili con i mezzi di attuazione 10 sono quindi potenzialmente infiniti. Si faccia ad esempio riferimento alla schematizzazione di robot di figura 2 dove a ciascuna uscita di moto derivata 110, 111 del primo elemento di distribuzione del moto 11 è collegato rispettivamente un ulteriore elemento di distribuzione del moto e nello specifico un secondo 121 e terzo 12’’ elemento di distribuzione del moto. Alle uscite differenziali di moto 120’, 121’, 120’’, 121’’ di ciascuno di tali elementi di distribuzione secondo e terzo sono a loro volta collegati secondi e terzi gruppi di moduli attuabili del robot, 20’, 21’, 20’’, 21’’. Pertanto con i mezzi di attuazione 10 vengono attuati in questo caso quattro moduli articolabili esoscheletrici. Se invece al secondo 12’ e terzo 12’’ elemento di distribuzione del moto fossero a loro volta collegati quarti e quinti elementi di distribuzione del moto i moduli articolabili potenzialmente attuabili partendo dalla sola uscita di moto primaria 100 definita dai mezzi di attuazione 10 sarebbero in numero ancora maggiore. Il gruppo di sottoattuazione ottiene quindi la movimentazione di strutture robotiche complesse con una semplicità costruttiva mai raggiunta dai robot attualmente noti. The exoskeletal articulated modules which can be implemented with the actuation means 10 are therefore potentially infinite. For example, reference should be made to the schematic diagram of the robot of Figure 2 where to each derived motion output 110, 111 of the first motion distribution element 11 is connected respectively a further motion distribution element and specifically a second 121 and third 12 ' motion distribution element. To the differential motion outputs 120 ', 121', 120 '', 121 '' of each of these second and third distribution elements are in turn connected second and third groups of actuable modules of the robot, 20 ', 21', 20 '', 21 ''. Therefore, in this case, four articulated exoskeletal modules are implemented with the actuation means 10. If, on the other hand, fourth and fifth motion distribution elements were in turn connected to the second 12 'and third 12' 'motion distribution elements, the articulated modules that could potentially be implemented starting from only the primary motion output 100 defined by the actuation means 10 would be in even more. The under-actuation unit thus achieves the movement of complex robotic structures with a constructive simplicity never achieved by currently known robots.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, il gruppo di sottoattuazione comprende inoltre mezzi sensori di coppia 13 interposti tra il primo elemento di distribuzione del moto 11 e i mezzi di attuazione 10, in corrispondenza quindi dell’uscita di moto primaria 100. According to a further aspect of the invention, the under-actuation group also comprises torque sensor means 13 interposed between the first motion distribution element 11 and the actuation means 10, therefore corresponding to the primary motion output 100.
Tali mezzi sensori possono comprendere, ad esempio ma non limitativamente, un elemento trasmissivo con risposta elastica per la trasmissione di una sollecitazione torsionale associato ad almeno un encoder di posizione per determinarne la deflessione torsionale e quindi la coppia conoscendo la costante elastica dell’elemento trasmissione elastico. Said sensor means can comprise, for example but not limited to, a transmissive element with elastic response for the transmission of a torsional stress associated with at least one position encoder to determine its torsional deflection and therefore the torque knowing the elastic constant of the elastic transmission element .
L’architettura che comprende mezzi sensori di questa tipologia in serie a mezzi di attuazione è conosciuta con il nome di SEA (series elastic actuator). The architecture that includes sensor means of this type in series with actuation means is known as SEA (series elastic actuator).
In figura 6 è mostrato un esempio realizzativo di architettura di SEA. L’elemento trasmissivo elastico torsionale è indicato in figura con il numero 130. In mezzi di attuazione comprendono a loro volta un motore 10a ed un albero motore 10b che definisce una prima uscita di moto ridotta 10c. Tale uscita di moto dell’albero motore 10b è interfacciata ad una prima flangia di connessione dell’elemento trasmissivo 130a; una seconda flangia 130b opposta longitudinalmente alla prima è connessa ad un elemento di connessione a bicchiere 131 che supporta sulla sua periferia esterna l’uscita di moto primaria 100 dei mezzi di attuazione 10. Ancora, i mezzi sensori comprendono, in questa specifica forma realizzativa due encoder, di cui un primo encoder 132 montato in modo tale da leggere il movimento sulla prima flangia 130a e un secondo encoder 133 montato in modo tale da leggere il movimento sulla seconda flangia 130b. La differenza di misura letta tra i due encoder permette di valutare la deflessione torsionale dell’elemento di trasmissione elastico e quindi, conoscendone la costante elastica, la coppia trasmessa all’elemento di connessione a bicchiere e quindi sulla prima uscita di moto primaria 100. Eventualmente un solo encoder può essere previsto, per una lettura diretta della deflessione torsionale. Figure 6 shows an embodiment of SEA architecture. The torsional elastic transmissive element is indicated in the figure with the number 130. The actuation means in turn comprise a motor 10a and a drive shaft 10b which defines a first reduced motion output 10c. This motion output of the drive shaft 10b is interfaced with a first connection flange of the transmissive element 130a; a second flange 130b longitudinally opposite to the first is connected to a socket connection element 131 which supports on its outer periphery the primary motion output 100 of the actuation means 10. Furthermore, the sensor means comprise, in this specific embodiment, two encoder, of which a first encoder 132 mounted in such a way as to read the movement on the first flange 130a and a second encoder 133 mounted in such a way as to read the movement on the second flange 130b. The measurement difference read between the two encoders makes it possible to evaluate the torsional deflection of the elastic transmission element and therefore, knowing its elastic constant, the torque transmitted to the socket connection element and therefore on the first primary motion output 100. Possibly only one encoder can be provided, for a direct reading of the torsional deflection.
I mezzi sensori 13 sono pertanto atti a rilevare la coppia realmente assorbita da esso e l’eventuale azione che i singoli giunti esercitano in retroazione sui mezzi di attuazione, nel caso i giunti siano mossi dall’utilizzatore stesso. Ai mezzi sensori è tipicamente interfacciata una un’unità di controllo configurata per controllare in retroazione i mezzi di attuazione in funzione di una perturbazione esterna ricevuta da almeno uno dei due o più moduli articolati. Tale controllo in retroazione consente di rendere “trasparente” il robot nei confronti di una eventuale forza esercitata dall’utilizzatore direttamente sul modulo articolabile, forza che, in assenza di un simile controllo, sarebbe indesideratamente e in modo sostanzialmente incontrollato ridistribuita dall’elemento di distribuzione del moto, sulla base del criterio di distribuzione differenziale, sull’uno o più moduli articolabili collegati ad esso. The sensor means 13 are therefore suitable for detecting the torque actually absorbed by it and the possible action that the individual joints exert in feedback on the actuation means, in case the joints are moved by the user himself. The sensor means is typically interfaced with a control unit configured to control the actuation means in feedback as a function of an external perturbation received by at least one of the two or more articulated modules. This feedback control makes it possible to make the robot "transparent" towards a possible force exerted by the user directly on the articulated module, a force which, in the absence of such a control, would be unwanted and in a substantially uncontrolled way redistributed by the distribution element motion, on the basis of the differential distribution criterion, on one or more articulated modules connected to it.
Nello specifico, l’architettura SEA è in grado, attraverso la lettura della deformazione dell’elemento trasmissivo elastico torsionale posto a valle dei mezzi di attuazione e a monte dell’elemento di distribuzione del moto, di dare all’unita di controllo l’informazione di quale è la coppia che passa in quel tratto di trasmissione e quindi permettere di chiudere il loop di controllo in modo puntuale per quanto riguarda l’erogazione attiva per il task motorio necessario. Questa architettura consente anche di poter controllare il robot in retroazione nel caso in cui l’utente volesse essere in grado di imporre il moto dall’esterno. Se vi fosse una trasmissione irreversibile, tutto il movimento imposto da un’uscita dell’elemento di distribuzione del moto si ripercuoterebbe in modo uguale e contrario sulla seconda che evidentemente non potrebbe muoversi liberamente. Mezzi sensori a monte dell’elemento di distribuzione del moto quindi permettono al motore di annullare la coppia resistente andando ad annullare la differenza algebrica del moto generato dalle due uscite sottoposte ad una forza di input fornita dall’esterno, ovvero dall’utilizzatore stesso. Specifically, the SEA architecture is able, by reading the deformation of the torsional elastic transmission element located downstream of the actuation means and upstream of the motion distribution element, to give the control unit the information of which is the torque that passes in that transmission section and therefore allows to close the control loop in a timely manner as regards the active delivery for the necessary motor task. This architecture also allows you to control the robot in feedback if the user wants to be able to impose motion from the outside. If there was an irreversible transmission, all the movement imposed by an output of the motion distribution element would have an equal and opposite impact on the second which obviously could not move freely. Sensor means upstream of the motion distribution element therefore allow the engine to cancel the resistant torque by canceling the algebraic difference of the motion generated by the two outputs subjected to an input force supplied from the outside, or rather by the user himself.
In una forma realizzativa preferita dell’invenzione l’elemento di distribuzione del moto è un differenziale. Il differenziale è di tipo meccanico, cioè materializzato da un rotismo epicicloidale. In a preferred embodiment of the invention the motion distribution element is a differential. The differential is of the mechanical type, that is materialized by a planetary gear.
Eventualmente il differenziale può essere anche di tipo pneumatico/idraulico come mostrato nelle figure 7a e 7b. In maggior dettaglio in questo caso i mezzi di attuazione 10 comprendono una pompa idraulica e l’elemento di distribuzione del moto è materializzato da una tubazione il cui ingresso di fluido 100’ materializza l’ingresso di moto, mentre le uscite derivate 110 e 111 rappresentano le uscite di moto. Ciascuna uscita di moto è collegata in ingresso ad un motore oleodinamico che attua un relativo giunto. Optionally, the differential can also be of the pneumatic / hydraulic type as shown in figures 7a and 7b. In greater detail, in this case the actuation means 10 comprise a hydraulic pump and the motion distribution element is materialized by a pipe whose fluid inlet 100 'materializes the motion input, while the derived outputs 110 and 111 represent motorcycle rides. Each motion output is connected at the input to a hydraulic motor which implements a relative joint.
Si faccia ora riferimento all’esempio realizzativo illustrato nelle figure 4a, 4b e 5. In questo esempio i mezzi di attuazione 10 comprendono un motore elettrico 10a in serie ad una molla sensorizzata agli estremi 10b, a definire una architettura di tipo SEA quale quella precedentemente descritta. L’uscita di moto primaria 100 è materializzata da un primo elemento di ingranamento. Tale uscita di moto primaria 100 è collegata ad un primo differenziale 11 che presenta un secondo elemento di ingranamento 110’ atto ad ingranare con il primo elemento di ingranamento 100 per ricevere la coppia erogata da detti mezzi di attuazione 10. Nello specifico il primo e secondo elemento di ingranamento sono materializzati da ruote dentate, anche se altre soluzioni equivalenti dal punto di vista funzionale potranno essere previste. Reference is now made to the embodiment illustrated in Figures 4a, 4b and 5. In this example, the actuation means 10 comprise an electric motor 10a in series with a sensorized spring at the ends 10b, to define an architecture of the SEA type such as the one previously described. The primary motion output 100 is materialized by a first meshing element. This primary motion output 100 is connected to a first differential 11 which has a second meshing element 110 'adapted to mesh with the first meshing element 100 to receive the torque delivered by said actuation means 10. Specifically, the first and second meshing element are materialized by toothed wheels, even if other equivalent solutions from the functional point of view may be provided.
Il primo differenziale 11 prevede due uscite differenziali di moto, di cui una prima uscita derivata 110 e una seconda uscita derivata 111. La prima uscita derivata 110 è collegata ad un primo modulo articolabile 20. La seconda uscita 111 è collegata ad un secondo differenziale 12. The first differential 11 provides two differential motion outputs, of which a first derived output 110 and a second derived output 111. The first derived output 110 is connected to a first articulated module 20. The second output 111 is connected to a second differential 12 .
La prima uscita derivata 110 è materializzata da un elemento di ingranamento quale una puleggia atta ad interfacciarsi operativamente con una rispettiva puleggia 20a di ingresso di moto al primo modulo articolabile 20, come mostrato specificatamente nelle figure da 4a a 4c. Nel caso specifico, la puleggia 20a fornisce il moto in ingresso ad un cinematismo articolato atto ad essere associato alla articolazione di schiena, ovvero alla colonna vertebrale di un utilizzatore. The first derivative output 110 is materialized by an meshing element such as a pulley adapted to operatively interface with a respective motion input pulley 20a to the first articulated module 20, as shown specifically in Figures 4a to 4c. In the specific case, the pulley 20a provides the input motion to an articulated kinematic mechanism adapted to be associated with the back joint, or with the vertebral column of a user.
In tale esempio specifico, il cinematismo articolato comprende una catena cinematica esoscheletrica atta ad assistere il movimento di una catena ossea poliarticolare. La catena cinematica esoscheletrica, definente pertanto un esoscheletro di schiena, comprende un telaio solidalmente connesso ad una porzione di bacino dell’utente e un numero di link esoscheletrici 20b, di cui uno solidale al telaio. In this specific example, the articulated kinematic system comprises an exoskeletal kinematic chain adapted to assist the movement of a polyarticular bone chain. The exoskeletal kinematic chain, thus defining a back exoskeleton, comprises a frame integrally connected to a portion of the user's pelvis and a number of exoskeletal links 20b, one of which is integral with the frame.
La catena comprende inoltre un numero di giunti rotoidali esoscheletrici 20d ciascuno dei quali tale da permettere una rotazione relativa tra due link esoscheletrici ad esso adiacenti attorno ad un proprio asse di rotazione X. The chain also comprises a number of exoskeletal rotary joints 20d, each of which is such as to allow relative rotation between two exoskeletal links adjacent to it about its own axis of rotation X.
Ciascun giunto rotoidale esoscheletrico è disposto ad una determinata distanza dal giunto rotoidale esoscheletrico 20d precedente lungo l’esoscheletro di schiena, ciascuna distanza essendo costante per ogni valore di delle rotazioni relative. Each exoskeletal rotary joint is arranged at a certain distance from the previous 20d exoskeletal rotary joint along the back exoskeleton, each distance being constant for each value of relative rotations.
Ciascun link esoscheletrico 20b è inoltre connesso ad una corrispondente vertebra della colonna vertebrale mediante un vincolo cinematico tale da permettere la trasmissione di almeno una componente di forza ortogonale al link esoscheletrico e/o alla corrispondente vertebra. Each exoskeletal link 20b is also connected to a corresponding vertebra of the vertebral column by means of a kinematic constraint such as to allow the transmission of at least one orthogonal force component to the exoskeletal link and / or to the corresponding vertebra.
In corrispondenza di ciascun giunto rotoidale esoscheletrico 20d è disposta una puleggia 20a’ atta a ruotare attorno ad un corrispettivo asse di rotazione, e almeno un cavo inestensibile 20c in contatto per attrito con ciascuna puleggia 20a’ e vincolato ad un link esoscheletrico all’estremità dell’esoscheletro, opposto al telaio. La relativa uscita di moto derivata è atta a trazionare l’almeno un cavo 20c in modo da portare i link esoscheletrici a ruotare intorno ai rispettivi giunti rotoidali esoscheletrici. Possono essere previsti eventualmente due o più cavi trazionati alternativamente in modo da portare i link esoscheletrici a ruotare intorno a rispettivi giunti rotoidali esoscheletrici in senso orario e/o in senso antiorario. At each exoskeletal rotoidal joint 20d there is a pulley 20a 'able to rotate around a corresponding axis of rotation, and at least one inextensible cable 20c in contact by friction with each pulley 20a' and constrained to an exoskeletal link at the end of the 'exoskeleton, opposite to the frame. The relative derived motion output is adapted to pull the at least one cable 20c so as to bring the exoskeletal links to rotate around the respective exoskeletal rotoidal joints. Optionally, two or more cables may be provided alternately pulled so as to cause the exoskeletal links to rotate around their respective exoskeletal rotoidal joints in a clockwise and / or counterclockwise direction.
La seconda uscita derivata 111 è materializzata da un elemento di ingranamento (nello specifico una ruota dentata, anche se anche in questo caso non è da escludere l’implementazione di altre soluzioni funzionalmente equivalenti). The second derived output 111 is materialized by an meshing element (specifically a toothed wheel, although also in this case the implementation of other functionally equivalent solutions cannot be excluded).
Tale seconda uscita derivata 111 è connessa con l’ingresso di moto 12a del secondo differenziale 12, materializzato da un complementare elemento di ingranamento. Il secondo differenziale prevede una prima 121 ed una seconda 122 uscita di moto. Le due uscite di moto derivate121 e 122 sono ingranate su rispettivi ingressi di moto 21a e 22a di due moduli articolabili secondo 21 e terzo 22 per fornire movimento in rotazione. In particolare, i due ingressi di moto 21a, 22a sono materializzati da pulegge che hanno un grado di libertà in rotazione secondo un asse proprio perpendicolare all’asse di uscita di moto del secondo differenziale. Tali pulegge forniscono il moto ad un cinematismo articolato che definisce i due secondo e terzo moduli articolabili esoscheletrici 21 e 22 che nel caso specifico sono atti ad essere associati con l’articolazione di bacino-anca dell’utilizzatore. Tali moduli articolabili 21 e 22 sono ad esempio del tipo descritto nella precedente domanda di brevetto della medesima titolare sopra citata, ovvero WO2017216663. In maggior dettaglio, i moduli articolabili esoscheletrici 21 e 22 sono materializzati ciascuno da una catena cinematica che permette la trasmissione di moto rotatorio tra un elemento rotante attivo materializzato da ciascuna delle puleggie di ingresso di moto 21a e 22a e un elemento rotante distale. I due elementi rotanti hanno assi che possono assumere orientamento relativo qualsiasi. Anche l’elemento rotante distale è materializzato da una rispettiva puleggia, mostrata nelle figure ed indicata con i riferimenti 210a e 222a. Il primo elemento rotante è pertanto atto a ruotare attorno ad un asse di rotazione proprio X. Il secondo elemento rotante è a sua volta atto a ruotare attorno ad un asse di rotazione proprio Y. This second derivative output 111 is connected with the motion input 12a of the second differential 12, materialized by a complementary meshing element. The second differential provides a first 121 and a second 122 motion output. The two derived motion outputs 121 and 122 are meshed with respective motion inputs 21a and 22a of two articulated modules according to 21 and third 22 to provide rotational motion. In particular, the two motion inputs 21a, 22a are materialized by pulleys that have a degree of freedom in rotation according to their own axis perpendicular to the motion output axis of the second differential. These pulleys provide motion to an articulated kinematics that defines the two second and third articulated exoskeletal modules 21 and 22 which in the specific case are suitable for being associated with the pelvis-hip joint of the user. Such articulated modules 21 and 22 are for example of the type described in the previous patent application of the same aforementioned owner, ie WO2017216663. In greater detail, the exoskeletal articulated modules 21 and 22 are each materialized by a kinematic chain which allows the transmission of rotary motion between an active rotating element materialized by each of the motion input pulleys 21a and 22a and a distal rotating element. The two rotating elements have axes that can assume any relative orientation. The distal rotating element is also materialized by a respective pulley, shown in the figures and indicated with references 210a and 222a. The first rotating element is therefore able to rotate around its own rotation axis X. The second rotating element is in turn able to rotate around its own Y axis of rotation.
La catena cinematica comprende inoltre una pluralità di elementi di connessione 21b, 22b ciascuno dei quali comprende almeno un passaggio avente almeno un elemento rotante; ciascun elemento di connessione comprende inoltre almeno una interfaccia atta a connettere l’elemento di connessione ad uno adiacente e ad uno degli elementi rotanti, generando un vincolo rotazionale attorno ad un proprio asse di rotazione Z. The kinematic chain further comprises a plurality of connecting elements 21b, 22b each of which comprises at least one passage having at least one rotating element; each connection element also includes at least one interface designed to connect the connection element to an adjacent one and to one of the rotating elements, generating a rotational constraint around its own axis of rotation Z.
La catena comprende poi un elemento di trasmissione (non visibile), quale un cavo o una cinghia, atto a svilupparsi lungo un percorso determinato per trasmettere un moto rotatorio tra i due elementi di rotazione. The chain then comprises a transmission element (not visible), such as a cable or a belt, capable of developing along a determined path to transmit a rotary motion between the two rotating elements.
Per cui, la catena cinematica è atta a passare tra una configurazione di regolazione in cui ciascun elemento di connessione è atto a ruotare attorno all’asse di rotazione proprio Z per regolare la propria posizione angolare rispetto ad un elemento di connessione adiacente o a uno degli elementi di rotazione, ed una configurazione di trasmissione in cui quanto il primo elemento di rotazione effettua una rotazione attorno al proprio asse di rotazione X, l’elemento di rotazione distale effettua una rotazione proporzionale intorno al proprio asse Y; nella configurazione di trasmissione ciascun elemento di connessione è atto a non ruotare intorno all’asse di rotazione proprio Z. Therefore, the kinematic chain is able to pass between an adjustment configuration in which each connection element is able to rotate around its own axis of rotation Z to adjust its angular position with respect to an adjacent connection element or to one of the elements. rotation, and a transmission configuration in which when the first rotation element rotates around its axis of rotation X, the distal rotation element performs a proportional rotation around its axis Y; in the transmission configuration, each connection element is designed not to rotate around its Z axis of rotation.
Il robot oggetto dell’invenzione ottiene svariati vantaggi in termini di complessiva riduzione di peso e di complessità strutturale. In particolare, grazie alla sottoattuazione dei due o più giunti del robot, quest’ultimo non solo ottiene una semplicità strutturale che i robot attualmente noti non hanno ma risulta anche più leggero e meno ingombrante, mantenendo parità di funzionalità e affidabilità. The robot object of the invention obtains various advantages in terms of overall weight reduction and structural complexity. In particular, thanks to the under-implementation of the two or more robot joints, the latter not only obtains a structural simplicity that currently known robots do not have, but is also lighter and less bulky, while maintaining the same functionality and reliability.
Ancora, Il rapporto di costo, di peso e di ingombro a parità di giunti movimentati e/o movimentabili è nettamente inferiore rispetto a quello dei robot oggetto dello stato dell’arte. Furthermore, the cost, weight and size ratio with the same number of moved and / or movable joints is significantly lower than that of the robots object of the state of the art.
È inoltre possibile prevedere mezzi di frenata in associazione al gruppo di sottoattuazione ed in particolar modo a ciascuna delle uscite di esso. I mezzi di frenata, quali ad esempio ma non limitatamente freni a disco, hanno lo scopo di modulare il flusso di potenza tra una o l’altra uscita del gruppo stesso in funzione del movimento che l’utilizzatore deve eseguire. Tali mezzi di frenata ottengono quindi un ulteriore livello di controllo in quanto agendo su uno o entrambi i freni associati alle due uscite posso ulteriormente ripartire e/o distribuire il moto elargito in uscita dai mezzi di distribuzione del moto. It is also possible to provide braking means in association with the under-actuation group and in particular with each of its outputs. The braking means, such as for example but not limited to disc brakes, have the purpose of modulating the flow of power between one or the other output of the group itself according to the movement that the user must perform. Said braking means therefore obtain a further level of control since by acting on one or both brakes associated with the two outputs, they can further distribute and / or distribute the motion given out by the motion distribution means.
L’associazione di una architettura di tipo SEA ad un elemento di distribuzione del moto determina poi ulteriori vantaggi in particolare per quanto riguarda il controllo del robot indossabile anche a fronte di perturbazioni esterne determinate da movimenti esercitati dall’utente stesso. Come sopra descritto grazie all’implementazione del SEA è possibile rendere il robot “trasparente” a questo tipo di sollecitazioni, lasciando quindi all’utilizzatore grande libertà e capacità di movimento anche a robot indossato. The association of a SEA-type architecture to a motion distribution element then determines further advantages in particular as regards the control of the wearable robot even in the face of external perturbations caused by movements exercised by the user himself. As described above, thanks to the implementation of the SEA it is possible to make the robot "transparent" to this type of stress, thus leaving the user great freedom and ability to move even when the robot is worn.
Grazie all’esoscheletro di schiena come descritto è inoltre possibile coadiuvare il movimento dell’intera colonna vertebrale dell’utilizzatore partendo da un solo azionamento di moto; infatti, grazie alla trasmissione di moto lungo la catena cinematica di schiena per effetto dell’interazione tra l’almeno un cavo e le pulegge è possibile azionare la pluralità di link esoscheletrici partendo da un unico ingresso di moto. Thanks to the back exoskeleton as described, it is also possible to assist the movement of the entire spinal column of the user starting from a single motion drive; in fact, thanks to the transmission of motion along the back kinematic chain due to the interaction between the at least one cable and the pulleys, it is possible to operate the plurality of exoskeletal links starting from a single motion input.
Ancora, l’associazione di questo esoscheletro di schiena con i moduli articolabili esoscheletrici di bacino-anca come descritti e con il gruppo di sottoattuazione (comprendente quindi a sua volta mezzi di attuazione e un elemento di distribuzione del moto in modalità differenziale) consente di avere una architettura robotica complessa partendo da un unico attuatore, con un’evidente ridotta complessità strutturale e di peso complessivo. Furthermore, the association of this back exoskeleton with the articulated exoskeletal modules of the pelvis-hip as described and with the underactivation group (therefore comprising in turn means of actuation and an element for distributing motion in differential mode) allows to have a complex robotic architecture starting from a single actuator, with an evident reduced structural complexity and overall weight.
La presente invenzione è stata descritta con riferimento a una sua forma di realizzazione preferita. È da intendersi che possono esistere altre forme di realizzazione che afferiscono al medesimo nucleo inventivo, tutte rientranti nell’ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate. The present invention has been described with reference to a preferred embodiment thereof. It is to be understood that there may be other embodiments that refer to the same inventive core, all falling within the scope of the claims set out below.
Claims (12)
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