IT201900015159A1

IT201900015159A1 - Modular vertebral elements for flexible exoskeletons

Info

Publication number: IT201900015159A1
Application number: IT102019000015159A
Authority: IT
Inventors: García-Llera Jorge Fernández; Sánchez-Lafuente Jesús Ortiz
Original assignee: Inail Istituto Naz Per L’Assicurazione Contro Gli Infortuni Sul Lavoro; Fondazione St Italiano Tecnologia
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2019-08-28
Publication date: 2021-02-28
Also published as: EP4021367A1; WO2021038481A1

Description

DESCRIZIONE dell'Invenzione Industriale dal titolo: “Elementi vertebrali modulari per esoscheletri flessibili” DESCRIPTION of the Industrial Invention entitled: "Modular vertebral elements for flexible exoskeletons"

TESTO DELLA DESCRIZIONE TEXT OF THE DESCRIPTION

La presente invenzione ha per oggetto un esoscheletro configurato per essere indossato da un utente e comprendente una pluralità di elementi vertebrali modulari collegati tra loro lungo un asse longitudinale da mezzi di collegamento flessibili, ciascun elemento vertebrale comprendendo un corpo centrale provvisto di una superficie di appoggio al corpo dell’utente e di una superficie libera opposta alla detta superficie di appoggio. The present invention relates to an exoskeleton configured to be worn by a user and comprising a plurality of modular vertebral elements connected to each other along a longitudinal axis by flexible connection means, each vertebral element comprising a central body provided with a supporting surface to the body of the user and of a free surface opposite to said support surface.

Gli esoscheletri industriali sono dispositivi robotici utilizzati come sorgenti di coppia per ridurre affaticamento e sforzo per i lavoratori. La coppia, generata da elementi attivi o passivi, viene trasmessa sotto forma di forza al corpo di chi indossa l’esoscheletro, aiutando a ridurre l'attività muscolare e la fatica. Nell'industria, i disturbi muscoloscheletrici sono una delle principali cause correlate agli infortuni sul lavoro. La maggior parte di questi ultimi è correlata al dolore lombare, dovuto alla compressione delle vertebre L5-S1. Questo è il motivo per cui negli ultimi anni sono stati sviluppati e commercializzati numerosi esoscheletri di supporto posteriore, noti anche come dispositivi lombari o esoscheletri spinali o della colonna vertebrale. Industrial exoskeletons are robotic devices used as torque sources to reduce fatigue and strain for workers. The torque, generated by active or passive elements, is transmitted in the form of force to the body of the wearer of the exoskeleton, helping to reduce muscle activity and fatigue. In industry, musculoskeletal disorders are a major cause of work-related injuries. Most of the latter are related to lower back pain, due to the compression of the L5-S1 vertebrae. This is why numerous posterior support exoskeletons, also known as lumbar devices or spinal or spine exoskeletons, have been developed and commercialized in recent years.

Gli esoscheletri possono trasmettere forze lungo la colonna vertebrale dell’utente che li indossa, come nel caso di esoscheletri passivi senza telai rigidi o perpendicolarmente alla colonna vertebrale, grazie a strutture rigide. Quest'ultima soluzione ha il vantaggio di non introdurre una forza di compressione aggiuntiva sulle vertebre, a causa dell'azione dell’esoscheletro. Tuttavia, le forze di reazione sono esercitate anche sulle cosce e sul bacino. Inoltre, poiché le forze vengono applicate solo su un numero limitato di punti di applicazione, l'entità delle forze è significativamente elevata. Un ulteriore problema emerso con l’utilizzo di telai rigidi è che questa soluzione riduce la libertà di movimento (Range of Motion - RoM) dell'utente e, in secondo luogo, gli effetti dell’applicazione prolungata di forze esterne al bacino sono ancora sconosciuti. The exoskeletons can transmit forces along the spine of the wearer, as in the case of passive exoskeletons without rigid frames or perpendicular to the spine, thanks to rigid structures. The latter solution has the advantage of not introducing an additional compressive force on the vertebrae, due to the action of the exoskeleton. However, the reaction forces are also exerted on the thighs and pelvis. Furthermore, since the forces are applied only on a limited number of application points, the magnitude of the forces is significantly high. A further problem that has emerged with the use of rigid frames is that this solution reduces the user's range of motion (RoM) and, secondly, the effects of prolonged application of forces external to the pelvis are still unknown. .

Recentemente, nuove soluzioni esplorano la possibilità di introdurre telai in fibra di carbonio più leggeri, al fine di aumentare il RoM dell'utente. Inoltre, un esoscheletro più leggero è probabilmente più accettato dai lavoratori. Gli esoscheletri noti di questo tipo, tuttavia, applicano comunque le forze su un numero limitato di punti. Recently, new solutions explore the possibility of introducing lighter carbon fiber frames, in order to increase the user's RoM. Additionally, a lighter exoskeleton is likely to be more accepted by workers. Known exoskeletons of this type, however, still apply forces to a limited number of points.

Esistono infine esoscheletri come descritti all’inizio, caratterizzati quindi da modularità e connessioni flessibili per essere ergonomici e leggeri. Tali esoscheletri sono biomimetici: ciò implica che gli elementi modulari, anche aderendo al corpo dell’utente, non ne ostacolano i movimenti. Per soddisfare questo requisito, il telaio deve fornire tutti i gradi di libertà. Questo è realizzato dalla combinazione in serie di un numero a piacere di elementi modulari. Il telaio che ne risulta assume pertanto una forma non continua, essendo costituita da elementi modulari associati tra loro. Finally, there are exoskeletons as described at the beginning, therefore characterized by modularity and flexible connections to be ergonomic and light. These exoskeletons are biomimetic: this implies that the modular elements, even adhering to the user's body, do not hinder his movements. To meet this requirement, the frame must provide all degrees of freedom. This is achieved by combining in series any number of modular elements. The resulting frame therefore assumes a non-continuous shape, being constituted by modular elements associated with each other.

Il documento US9492300B2 descrive un esoscheletro di questa tipologia, utilizzato in ambito militare per reindirizzare i carichi dalla schiena dell’utente direttamente a terra. Tale esoscheletro coinvolge però necessariamente l’intero corpo dell’utente e risulta pertanto pesante ed ingombrante. Document US9492300B2 describes an exoskeleton of this type, used in the military to redirect loads from the user's back directly to the ground. However, this exoskeleton necessarily involves the entire body of the user and is therefore heavy and bulky.

Il documento “Design and Computational Modeling of a Modular, Compliant Robotic Assembly for Human Lumbar Unit and Spinal Cord Assistance” (Gunjan Agarwal, et Al., 31 October 2017) descrive un altro esoscheletro simile, sviluppato sulla base di attuatori pneumatici azionati da vuoto, caratterizzato quindi da una elevata complessità. The document "Design and Computational Modeling of a Modular, Compliant Robotic Assembly for Human Lumbar Unit and Spinal Cord Assistance" (Gunjan Agarwal, et Al., 31 October 2017) describes another similar exoskeleton, developed on the basis of vacuum-operated pneumatic actuators , therefore characterized by a high complexity.

Esiste pertanto allo stato attuale una esigenza non soddisfatta di un esoscheletro modulare e provvisto di connessioni flessibili che sia leggero e costruttivamente semplice, che possa essere attuato sia attivamente che passivamente e che trasmetta le forze perpendicolarmente al corpo dell’utente su una superficie ampia. Therefore, there is currently an unsatisfied need for a modular exoskeleton equipped with flexible connections that is light and constructively simple, that can be implemented both actively and passively and that transmits forces perpendicularly to the user's body over a large surface.

La presente invenzione mira a superare gli svantaggi suddetti dello stato dell’arte con un esoscheletro come descritto all’inizio, il quale inoltre comprende un cavo impegnato con almeno due elementi vertebrali, essendo almeno alcuni elementi vertebrali provvisti di mezzi di guida del detto cavo e di un organo distanziatore dei detti mezzi di guida dalla detta superficie libera. The present invention aims to overcome the aforementioned disadvantages of the state of the art with an exoskeleton as described at the beginning, which also comprises a cable engaged with at least two vertebral elements, at least some vertebral elements being provided with means for guiding said cable and of a spacer member of said guide means from said free surface.

In questo modo è possibile collegare il cavo ad una sorgente di forza e trasmettere le forze in direzione perpendicolare al corpo dell’utente mediante le superfici di contatto degli elementi vertebrali. La presenza dell’organo distanziatore permette infatti di ottenere una distanza tra il punto di applicazione della forza da parte del cavo e il corpo centrale dell’elemento vertebrale a contatto con il corpo l’utente. Ciò consente di influenzare la trasmissione della forza esercitata dalla sorgente di forza semplicemente variando progettualmente le proprietà geometriche dei componenti degli elementi vertebrali. In this way it is possible to connect the cable to a source of force and transmit the forces in a perpendicular direction to the user's body through the contact surfaces of the vertebral elements. The presence of the spacer organ allows in fact to obtain a distance between the point of application of the force by the cable and the central body of the vertebral element in contact with the user's body. This makes it possible to influence the transmission of the force exerted by the force source simply by designing the geometric properties of the components of the vertebral elements.

In un esempio esecutivo, l’organo distanziatore è costituito da una forcella comprendente due braccetti estendentisi in direzione opposta all’utente a partire dalla detta superficie libera, i quali braccetti supportano i detti mezzi di guida. In an executive example, the spacer member consists of a fork comprising two arms extending in the opposite direction to the user starting from said free surface, which arms support said guide means.

In un ulteriore esempio esecutivo, i detti mezzi di guida comprendono due o più pulegge impegnate tra i due braccetti in modo girevole folle attorno al proprio asse di rotazione. In a further embodiment, the said guide means comprise two or more pulleys engaged between the two arms in an idle rotation about their own axis of rotation.

La presenza di pulegge consente al cavo di scorrere liberamente senza problemi di attrito, esercitando al contempo forze su punti ben precisi dei braccetti. The presence of pulleys allows the cable to slide freely without friction problems, at the same time exerting forces on precise points of the arms.

Secondo una forma esecutiva, le pulegge hanno asse di rotazione perpendicolare al piano sagittale dell’utente in condizione indossata dell’esoscheletro e ciascun elemento vertebrale comprende almeno una puleggia inferiore ed una puleggia superiore, rispettivamente posizionate inferiormente e superiormente in condizione indossata dell’esoscheletro, essendo il cavo posto a contatto con la parte di puleggia superiore rivolta verso la detta superficie libera del corpo centrale e con la parte di puleggia inferiore rivolta in verso opposto alla detta superficie libera del corpo centrale. According to an embodiment, the pulleys have an axis of rotation perpendicular to the sagittal plane of the user in the worn condition of the exoskeleton and each vertebral element comprises at least one lower pulley and one upper pulley, respectively positioned below and above in the worn condition of the exoskeleton, the cable being placed in contact with the upper pulley part facing the said free surface of the central body and with the lower pulley part facing the opposite direction to the said free surface of the central body.

In un’ulteriore forma esecutiva, la puleggia inferiore e la puleggia superiore hanno distanze dall’asse longitudinale dell’esoscheletro differenti tra loro. In a further embodiment, the lower pulley and the upper pulley have different distances from the longitudinal axis of the exoskeleton.

Secondo un esempio esecutivo, i braccetti sono inclinati verso il basso in condizione indossata dell’esoscheletro. According to an executive example, the arms are tilted downwards in the worn condition of the exoskeleton.

Le caratteristiche sin qui descritte consentono di regolare al meglio la distribuzione delle forze, come spiegato in dettaglio in seguito. The characteristics described so far allow to better adjust the distribution of forces, as explained in detail below.

In un esempio esecutivo preferito, i braccetti hanno un’inclinazione di 45° rispetto al piano su cui giace il corpo centrale. In a preferred executive example, the arms have an inclination of 45 ° with respect to the plane on which the central body lies.

Questo valore si è dimostrato ottimale per massimizzare la coppia trasmessa e minimizzare l’ingombro del dispositivo. This value has proved to be optimal for maximizing the transmitted torque and minimizing the overall dimensions of the device.

In una forma esecutiva, il corpo centrale è provvisto di ali laterali di contatto con il corpo dell’utente. In one embodiment, the central body is provided with lateral wings in contact with the user's body.

In questo modo la superficie di appoggio del singolo elemento vertebrale sul corpo dell’utente è ampliata, per evitare pressioni localizzate. In this way the support surface of the single vertebral element on the user's body is enlarged, to avoid localized pressures.

In un’ulteriore forma esecutiva, i detti mezzi di collegamento flessibili comprendono un elemento tubolare. In a further embodiment, said flexible connecting means comprise a tubular element.

Ciò consente di prevedere una pluralità di elementi vertebrali posti in serie, collegati tra loro dall’elemento tubolare, in una configurazione in cui due elementi vertebrali consecutivi sono distanziati da una zona intermedia in cui è presente solo un tratto dell’elemento tubolare. This allows for a plurality of vertebral elements placed in series, connected to each other by the tubular element, in a configuration in which two consecutive vertebral elements are spaced from an intermediate area in which there is only a portion of the tubular element.

Secondo un perfezionamento, è previsto un unico elemento tubolare a cui sono fissati gli elementi vertebrali. According to an improvement, a single tubular element is provided to which the vertebral elements are fixed.

Ciò conferisce robustezza all’intero esoscheletro, oltre ad una maggiore semplicità costruttiva. This gives strength to the entire exoskeleton, as well as greater constructive simplicity.

In una prima variante esecutiva, il detto cavo è almeno in parte elastico. In a first embodiment variant, said cable is at least partly elastic.

In questo modo il cavo è messo in tensione dalle proprie caratteristiche elastiche ed agisce sui moduli vertebrali in modo passivo. In this way the cable is put under tension by its elastic characteristics and acts on the vertebral modules in a passive way.

In una seconda variante esecutiva, il detto cavo è azionato da un attuatore. In a second embodiment variant, said cable is operated by an actuator.

In questo modo l’azionamento dell’esoscheletro è di tipo attivo. In this way, the drive of the exoskeleton is of the active type.

Le caratteristiche strutturali dell’esoscheletro ne permettono quindi un’attuazione sia attiva che passiva. The structural characteristics of the exoskeleton therefore allow both active and passive implementation.

L’esoscheletro oggetto della presente invenzione è quindi flessibile, ergonomico e leggero e consente una migliorata distribuzione sul corpo dell’utente di forze e coppie erogate dal sistema di attuazione. La modularità degli elementi costitutivi consente di ottenere un esoscheletro riconfigurabile. The exoskeleton object of the present invention is therefore flexible, ergonomic and light and allows an improved distribution on the user's body of forces and torques delivered by the actuation system. The modularity of the constituent elements allows to obtain a reconfigurable exoskeleton.

L’esoscheletro imita le prestazioni della colonna vertebrale umana e può essere azionato attivamente o passivamente per correggere la postura dell’utente o per supportarne la movimentazione scaricando almeno parzialmente l’articolazione intravertebrale L5-S1. The exoskeleton mimics the performance of the human spine and can be actively or passively operated to correct the user's posture or to support its movement by at least partially discharging the L5-S1 intravertebral joint.

È possibile ridurre il rischio di lesioni alla schiena applicando una forza di trazione sulla regione superiore del dorso e una forza di spinta sulla regione dell’anca, durante la flessione/estensione della colonna vertebrale. It is possible to reduce the risk of back injuries by applying a traction force on the upper back region and a thrust force on the hip region, during flexion / extension of the spine.

Nel caso di un azionamento passivo è possibile prevedere una frizione o organo smorzatore, per consentire la modulazione dell'attuazione. In the case of a passive actuation, it is possible to provide a clutch or damper member, to allow the modulation of the actuation.

Data la struttura leggera dell’esoscheletro, in combinazione con la sua modularità e l’elevata accettabilità da parte dell’utente grazie alla libertà di movimento che viene garantita, i campi di applicazione non si limitano solo all’ambito industriale, ma possono anche essere estesi alla raccolta dei rifiuti, alla logistica, all'assistenza sanitaria e così via. Inoltre, è facile combinare diversi elementi vertebrali in un singolo esoscheletro, considerando la modularità che li contraddistingue. Pertanto, ciò rende possibile costruire e sviluppare differenti sezioni, ciascuna mirata ad esempio per l'assistenza lombare, l'assistenza degli arti superiori e degli arti inferiori, ed integrarle tra loro. Given the lightweight structure of the exoskeleton, in combination with its modularity and high user acceptability thanks to the freedom of movement that is guaranteed, the fields of application are not limited only to the industrial sector, but can also be extended to waste collection, logistics, healthcare and so on. Furthermore, it is easy to combine different vertebral elements in a single exoskeleton, considering the modularity that distinguishes them. Therefore, this makes it possible to build and develop different sections, each aimed for example for lumbar assistance, upper limb and lower limb assistance, and integrate them with each other.

Queste ed altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno più chiaramente dalla seguente descrizione di alcuni esempi esecutivi non limitativi illustrati nei disegni allegati in cui: la fig. 1 illustra un elemento vertebrale; These and other characteristics and advantages of the present invention will become clearer from the following description of some non-limiting embodiments illustrated in the attached drawings in which: fig. 1 illustrates a vertebral element;

la fig. 2 illustra una proiezione ortogonale dell’elemento vertebrale; fig. 2 illustrates an orthogonal projection of the vertebral element;

le figure 3 e 4 illustrano una vista rispettivamente assemblata ed esplosa di due elementi vertebrali provvisti di pulegge; Figures 3 and 4 show an assembled and exploded view, respectively, of two vertebral elements provided with pulleys;

la fig. 5 illustra una proiezione ortogonale di due elementi vertebrali provvisti di pulegge; fig. 5 shows an orthogonal projection of two vertebral elements provided with pulleys;

la fig 6 illustra una coppia di elementi vertebrali con il cavo impegnato nelle rispettive pulegge; fig 6 illustrates a pair of vertebral elements with the cable engaged in the respective pulleys;

le figg. 7 e 8 illustrano i movimenti relativi tra due adiacenti elementi vertebrali sotto l’azione del cavo; figs. 7 and 8 illustrate the relative movements between two adjacent vertebral elements under the action of the cable;

le figg. 9, 10, 11 e 12 illustrano schematicamente la distribuzione delle forze al variare della geometria dell’elemento vertebrale; figs. 9, 10, 11 and 12 schematically illustrate the distribution of forces as the geometry of the vertebral element varies;

le figg. 13, 14 e 15 illustrano i movimenti possibili dell’esoscheletro; figs. 13, 14 and 15 illustrate the possible movements of the exoskeleton;

la fig. 16 illustra una vista parzialmente esplosa di un esempio esecutivo di esoscheletro in condizione indossata. fig. 16 illustrates a partially exploded view of an executive example of an exoskeleton in a worn condition.

In figura 1 è illustrato un singolo elemento vertebrale modulare 1 che costituisce l’unità fondamentale per l’assemblaggio di un esoscheletro configurato per essere indossato da un utente secondo la presente invenzione. L’esoscheletro comprende una pluralità di elementi vertebrali modulari 1 collegati tra loro lungo un asse longitudinale da mezzi di collegamento flessibili: in condizione assemblata dell’esoscheletro gli elementi vertebrali 1 sono quindi posti in serie a formare una catena. Il numero di elementi vertebrali 1 può essere variato a piacere sulla base delle esigenze progettuali. Figure 1 shows a single modular vertebral element 1 which constitutes the fundamental unit for the assembly of an exoskeleton configured to be worn by a user according to the present invention. The exoskeleton comprises a plurality of modular vertebral elements 1 connected together along a longitudinal axis by flexible connecting means: in the assembled condition of the exoskeleton the vertebral elements 1 are then placed in series to form a chain. The number of vertebral elements 1 can be varied at will on the basis of the design requirements.

Ciascun elemento vertebrale 1 comprende un corpo centrale 10 provvisto di una superficie di appoggio 100 al corpo dell’utente e di una superficie libera 101 opposta alla detta superficie di appoggio 100. L’elemento vertebrale 1 è provvisto di ali laterali 11 di contatto con il corpo dell’utente, le quali ali laterali 11 aumentano l’area della superficie di appoggio 100 aumentando le forze assistive applicate e si dipartono su lati opposti dal corpo centrale 10. L’elemento vertebrale 1 è quindi simmetrico rispetto all’asse longitudinale lungo il quale si sviluppa l’esoscheletro. Each vertebral element 1 comprises a central body 10 provided with a support surface 100 to the user's body and a free surface 101 opposite the said support surface 100. The vertebral element 1 is provided with lateral wings 11 for contact with the body of the user, which lateral wings 11 increase the area of the support surface 100 by increasing the assistive forces applied and branch off on opposite sides from the central body 10. The vertebral element 1 is therefore symmetrical with respect to the longitudinal axis along the which develops the exoskeleton.

L’elemento vertebrale è preferibilmente in plastica per garantire leggerezza e durabilità a costi contenuti, ma può essere costituito da altri materiali, preferibilmente leggeri, come leghe metalliche, fibra di carbonio, ecc. The vertebral element is preferably made of plastic to ensure lightness and durability at low cost, but can be made of other, preferably light materials, such as metal alloys, carbon fiber, etc.

L’elemento vertebrale 1 comprende inoltre una forcella 12 costituita da una coppia di braccetti 120 che si estendono dal corpo centrale 10 in direzione opposta all’utente in condizione indossata dell’esoscheletro, a partire dalla superficie libera 101. Preferibilmente i braccetti 120 sono costituiti da elementi piastriformi che giacciono su due piani paralleli tra loro e paralleli al piano sagittale dell’utente in condizione indossata dell’esoscheletro. The vertebral element 1 further comprises a fork 12 consisting of a pair of arms 120 which extend from the central body 10 in the opposite direction to the user in the worn condition of the exoskeleton, starting from the free surface 101. Preferably the arms 120 are made up by plate-like elements that lie on two planes parallel to each other and parallel to the sagittal plane of the user in the worn condition of the exoskeleton.

Come visibile nelle figure 3 e 4, nella zona interposta tra i due braccetti 120 sono impegnate due pulegge 13 in modo girevole folle attorno al proprio asse di rotazione. Per il fissaggio delle pulegge 13 ciascun braccetto 120 è provvisto di due fori passanti di alloggiamento di viti 130 di fissaggio. Le pulegge 13 hanno quindi asse di rotazione perpendicolare all’asse sagittale dell’utente in condizione indossata dell’esoscheletro. Le pulegge 13 possono essere di qualsivoglia tipo attualmente noto, preferibilmente sono costituite da rullini di rinvio impegnati girevoli in modo folle mediante cuscinetti sulle viti di fissaggio 130. As can be seen in Figures 3 and 4, in the area interposed between the two arms 120 two pulleys 13 are engaged in an idle rotation about their own axis of rotation. For fixing the pulleys 13 each arm 120 is provided with two through holes for housing the fixing screws 130. The pulleys 13 therefore have an axis of rotation perpendicular to the sagittal axis of the user in the worn condition of the exoskeleton. The pulleys 13 can be of any currently known type, preferably they consist of idle return rollers engaged in rotation by means of bearings on the fixing screws 130.

L’esoscheletro comprende un cavo 2 impegnato con gli elementi vertebrali 1 mediante le pulegge 13. Le pulegge 13 costituiscono pertanto mezzi di guida del cavo 2 e la forcella 12 agisce da organo distanziatore delle pulegge 13 dalla superficie libera 101. Agendo sulle pulegge, il cavo trasmette forze e coppie a ciascun elemento vertebrale 1 e di conseguenza al corpo dell’utente. The exoskeleton comprises a cable 2 engaged with the vertebral elements 1 by means of the pulleys 13. The pulleys 13 therefore constitute guiding means for the cable 2 and the fork 12 acts as a spacer member of the pulleys 13 from the free surface 101. Acting on the pulleys, the cable transmits forces and torques to each vertebral element 1 and consequently to the user's body.

Ciascun elemento vertebrale 1 comprende una puleggia inferiore 13’ ed una puleggia superiore 13”, rispettivamente posizionate inferiormente e superiormente in condizione indossata dell’esoscheletro. Come illustrato in figura 6, il cavo 2 è posto a contatto con la parte di puleggia superiore 13” rivolta verso la superficie libera 101 del corpo centrale 10 e con la parte di puleggia inferiore 13’ rivolta in verso opposto alla superficie libera 101 del corpo centrale 10. Il cavo 2 passa in questo modo al di sopra della puleggia inferiore 13’ ed al di sotto della puleggia superiore 13”. In questo modo, una volta applicata tensione meccanica al cavo 2, ciascun elemento vertebrale 1 tende a ruotare in senso orario nella vista illustrata nelle figure 7 e 8. Each vertebral element 1 comprises a lower pulley 13 'and an upper pulley 13 ", respectively positioned inferiorly and superiorly in the worn condition of the exoskeleton. As illustrated in Figure 6, the cable 2 is placed in contact with the upper pulley part 13 "facing the free surface 101 of the central body 10 and with the lower pulley part 13 'facing opposite the free surface 101 of the body central 10. The cable 2 passes in this way over the lower pulley 13 'and under the upper pulley 13 ”. In this way, once mechanical tension has been applied to the cable 2, each vertebral element 1 tends to rotate clockwise in the view illustrated in Figures 7 and 8.

Grazie all'angolo relativo tra gli elementi vertebrali 1 e al percorso del cavo, dettagliato maggiormente nelle figure successive, è possibile trasmettere forze e momenti tra due elementi vertebrali 1 e riportare il sistema nella posizione iniziale semplicemente ponendo in trazione il cavo 2. Thanks to the relative angle between the vertebral elements 1 and the path of the cable, more detailed in the following figures, it is possible to transmit forces and moments between two vertebral elements 1 and bring the system back to the initial position simply by placing the cable 2 in traction.

Il modo in cui la tensione meccanica del cavo 2 viene generata non è lo scopo di questa invenzione. È tuttavia possibile, a titolo di esempio, prevedere un cavo elastico direttamente passante tra le pulegge per generare una tensione elastica, oppure un cavo avente porzioni elastiche o collegato a molle. In questo modo il cavo 2 agisce sui moduli vertebrali 1 in modo passivo. The way in which the mechanical tension of the cable 2 is generated is not the purpose of this invention. It is however possible, by way of example, to provide an elastic cable passing directly between the pulleys to generate an elastic tension, or a cable having elastic portions or connected to springs. In this way the cable 2 acts on the vertebral modules 1 passively.

In alternativa il cavo 2 può essere collegato ad un attuatore, ad esempio un motore elettrico con riavvolgitore a bobina. In questo modo l’azionamento dell’esoscheletro è di tipo attivo. Alternatively, the cable 2 can be connected to an actuator, for example an electric motor with reel rewinder. In this way, the drive of the exoskeleton is of the active type.

La puleggia inferiore 13’ e la puleggia superiore 13” hanno distanze dall’asse longitudinale dell’esoscheletro differenti tra loro, come visibile ad esempio nelle figure 7 e 8, in particolare la puleggia inferiore 13’ ha una distanza maggiore rispetto alla puleggia superiore 13”. The lower pulley 13 'and the upper pulley 13 "have different distances from the longitudinal axis of the exoskeleton, as shown for example in figures 7 and 8, in particular the lower pulley 13' has a greater distance than the upper pulley 13 ".

Un singolo braccetto 120 può essere schematizzato come nelle figure 9, 10, 11 e 12, dove sono riportati solo i centri delle pulegge 13 (A, B) ed il punto base sul corpo centrale 10 attorno al quale avviene la rotazione (C). Supponendo che sui centri delle pulegge 13 le forze di reazione Fa e Fb agiscano con un'inclinazione α e β rispetto all’asse longitudinale dell’esoscheletro (illustrato orizzontale nelle figure), l'inclinazione angolare del braccetto 120 (θ) influenza la coppia calcolata in C. Infatti, fissando lo spostamento verticale di A e B rispetto a C e lo spostamento orizzontale di B rispetto a A, l'equazione sotto riportata mostra come θ influenza il momento calcolato in C: A single arm 120 can be schematized as in Figures 9, 10, 11 and 12, where only the centers of the pulleys 13 (A, B) and the base point on the central body 10 around which the rotation takes place (C) are shown. Assuming that on the centers of pulleys 13 the reaction forces Fa and Fb act with an inclination α and β with respect to the longitudinal axis of the exoskeleton (shown horizontal in the figures), the angular inclination of the arm 120 (θ) influences the torque calculated in C. In fact, by fixing the vertical displacement of A and B with respect to C and the horizontal displacement of B with respect to A, the equation below shows how θ affects the moment calculated in C:

ove (Ax, Ay, Bx, By) rappresentano i bracci della coppia, come illustrato in figura 10. where (Ax, Ay, Bx, By) represent the arms of the couple, as illustrated in figure 10.

Dall'equazione sopra riportata consegue che MC è diverso se calcolato per la configurazione di figura 9 o per quella di figura 10. From the above equation it follows that MC is different if calculated for the configuration of figure 9 or for that of figure 10.

La scelta del valore ottimale di inclinazione del braccetto 120 non è banale in quanto dovrebbe tenere conto sia delle rotazioni relative degli elementi vertebrali 1 sia di come vengono applicate le forze sulle pulegge 13. In linea di massima, θ potrebbe assumere qualsiasi valore compreso tra 0° e 90°. Preferibilmente i braccetti 120 sono inclinati verso il basso in condizione indossata dell’esoscheletro. Nell’esempio esecutivo illustrato nelle figure, i braccetti 120 hanno un’inclinazione θ di 45° rispetto al piano su cui giace il corpo centrale 10, ossia rispetto all’asse longitudinale dell’esoscheletro, per cercare di massimizzare contemporaneamente la coppia e minimizzare l'ingombro del dispositivo. I braccetti 120 assumono quindi vantaggiosamente una forma a parallelogramma. The choice of the optimal inclination value of the arm 120 is not trivial as it should take into account both the relative rotations of the vertebral elements 1 and how the forces are applied on the pulleys 13. In principle, θ could take any value between 0 ° and 90 °. Preferably the arms 120 are inclined downwards in the worn condition of the exoskeleton. In the executive example illustrated in the figures, the arms 120 have an inclination θ of 45 ° with respect to the plane on which the central body 10 lies, i.e. with respect to the longitudinal axis of the exoskeleton, in order to try to simultaneously maximize the torque and minimize the footprint of the device. The arms 120 therefore advantageously assume a parallelogram shape.

Gli angoli che definiscono le direzioni delle forze che agiscono sulle pulegge 13 (α e β) sono influenzati dai valori geometrici delle pulegge 13 stesse e dall’inclinazione angolare relativa degli elementi vertebrali 1 tra di loro, come schematicamente riportato nelle figure 11 e 12, in cui le posizioni dei centri delle pulegge 13 sono modificate tra una configurazione e l'altra. The angles that define the directions of the forces acting on the pulleys 13 (α and β) are influenced by the geometric values of the pulleys 13 themselves and by the relative angular inclination of the vertebral elements 1 to each other, as schematically reported in figures 11 and 12, in which the positions of the centers of the pulleys 13 are modified between one configuration and the next.

Gli elementi vertebrali 1 sono collegati tra loro da mezzi di collegamento flessibile. Tali mezzi possono essere di qualsivoglia tipo attualmente noto e preferibilmente sono costituiti da un elemento tubolare 3, in particolare un unico elemento tubolare 3 a cui sono fissati gli elementi vertebrali 1. The vertebral elements 1 are connected to each other by flexible connection means. These means can be of any currently known type and preferably consist of a tubular element 3, in particular a single tubular element 3 to which the vertebral elements 1 are fixed.

Per garantire flessibilità, l’elemento tubolare 3 può essere vantaggiosamente di materiale plastico cedevole. To ensure flexibility, the tubular element 3 can advantageously be made of yieldable plastic material.

L’elemento tubolare 3 è preferibilmente integrato all’interno degli elementi vertebrali 1, in particolare nel corpo centrale 10, e corre quindi longitudinalmente lungo tutto l’esoscheletro. Nello spazio interposto tra due successivi elementi vertebrali 1, l’elemento tubolare 3 costituisce l'unica connessione tra i due diversi elementi vertebrali 1, in modo tale per cui i due elementi vertebrali 1 sono separati tra loro da uno spazio in cui è presente solo l’elemento tubolare 3, come visibile ad esempio in figura 5. The tubular element 3 is preferably integrated within the vertebral elements 1, in particular in the central body 10, and therefore runs longitudinally along the entire exoskeleton. In the space interposed between two successive vertebral elements 1, the tubular element 3 constitutes the only connection between the two different vertebral elements 1, in such a way that the two vertebral elements 1 are separated from each other by a space in which there is only the tubular element 3, as can be seen for example in Figure 5.

Grazie alla flessibilità dell’elemento tubolare 3 e alla distanza dei singoli elementi vertebrali 1 tra loro, l’esoscheletro in condizione assemblata permette grande libertà di movimento come illustrato nelle figure 13, 14 e 15, in cui sono visibili rispettivamente i movimenti di flessione laterale, estensione/flessione e rotazione lungo l’asse longitudinale. Thanks to the flexibility of the tubular element 3 and to the distance of the individual vertebral elements 1 from each other, the exoskeleton in assembled condition allows great freedom of movement as illustrated in figures 13, 14 and 15, in which the lateral flexion movements are visible respectively , extension / flexion and rotation along the longitudinal axis.

Gli elementi vertebrali 1 possono essere combinati tra loro a formare la struttura di un esoscheletro di supporto posteriore o spinale come illustrato in figura 16. Nell’esempio esecutivo in figura, l’esoscheletro si estende tra le cosce ed il torace dell’utente. In particolare, l’esoscheletro comprende tre settori, due inferiori per le gambe e uno superiore per la schiena, che sono costituiti ciascuno da una serie di elementi vertebrali 1 collegati tra loro da un elemento tubolare 3 e azionati da un cavo 2. I tre settori dell’esoscheletro sono collegati tra loro in una zona intermedia provvista di placche 4 di appoggio ai glutei dell’utente. Considerando l’anatomia umana, il Gluteus Maximus è il muscolo centrale di connessione tra gambe e schiena con più superficie vicino alla cintola e all’anca, giustificando la scelta di applicare forze a questa regione anatomica. The vertebral elements 1 can be combined with each other to form the structure of a posterior or spinal support exoskeleton as shown in figure 16. In the executive example in the figure, the exoskeleton extends between the thighs and the thorax of the user. In particular, the exoskeleton comprises three sectors, two lower for the legs and an upper one for the back, which are each made up of a series of vertebral elements 1 connected together by a tubular element 3 and operated by a cable 2. The three sectors of the exoskeleton are connected to each other in an intermediate zone provided with plates 4 for supporting the user's buttocks. Considering the human anatomy, the Gluteus Maximus is the central muscle connecting the legs and back with the most surface near the waist and hip, justifying the choice of applying forces to this anatomical region.

L’esoscheletro illustrato risulta essere una complessa struttura flessibile preferibilmente in plastica, ossia un materiale leggero e resistente, che si adatta perfettamente al corpo umano. La plastica viene citata solo a titolo di esempio, ma in linea di principio si potrebbe utilizzare qualsiasi lega leggera e resistente. Essendo costituito da singoli elementi vertebrali modulari, l’esoscheletro raggiunge un livello eccezionale di libertà di movimento, consentendo tutti i tipi di movimento coinvolti durante le manovre di piegamento e accovacciamento, così come altri movimenti non legati a compiti di sollevamento, come camminare. The exoskeleton shown is a complex flexible structure preferably made of plastic, that is, a light and resistant material, which adapts perfectly to the human body. Plastic is mentioned as an example only, but in principle any light and strong alloy could be used. Being made up of individual modular vertebral elements, the exoskeleton achieves an exceptional level of freedom of movement, allowing all types of movement involved during bending and squatting maneuvers, as well as other movements not related to lifting tasks, such as walking.

Il peso complessivo dell’esoscheletro illustrato in figura può essere molto esiguo, in particolare inferiore a 2 Kg. The overall weight of the exoskeleton illustrated in the figure can be very small, in particular less than 2 kg.

Infine, è interessante sottolineare come sia possibile aumentare il numero di elementi vertebrali 1 che formano l’esoscheletro per distribuire ulteriormente forze e coppie lungo l'asse longitudinale dell’esoscheletro. Finally, it is interesting to underline how it is possible to increase the number of vertebral elements 1 that form the exoskeleton to further distribute forces and torques along the longitudinal axis of the exoskeleton.

Claims

CLAIMS 1. Exoskeleton configured to be worn by a user and comprising a plurality of modular vertebral elements (1) connected together along a longitudinal axis by flexible connecting means, each vertebral element (1) comprising a central body (10) provided with a support surface (100) to the user's body and a free surface (101) opposite to said support surface, characterized in that comprises a cable (2) engaged with at least two vertebral elements (1), being at least some vertebral elements (1) provided with guide means for said cable (2) and with a spacer member of said guide means from said free surface ( 101).

2. Exoskeleton according to claim 1, wherein the spacer member is constituted by a fork (12) comprising two arms (120) extending in the opposite direction to the user starting from said free surface (101), which arms (120 ) support said guide means.

3. Exoskeleton according to claim 2, wherein said guiding means comprise two or more pulleys (13) engaged between the two arms (120) in an idle rotatable way around their own axis of rotation.

4. Exoskeleton according to claim 3, wherein the pulleys (13) have an axis of rotation perpendicular to the sagittal plane of the user in the worn condition of the exoskeleton and each vertebral element (1) comprises at least one lower pulley (13 ') and one upper pulley (13 "), respectively positioned below and above in the worn condition of the exoskeleton, since the cable (2) is placed in contact with the upper pulley part (13") facing the said free surface (101) of the central body (10) and with the part of the lower pulley (13 ') facing in the opposite direction to said free surface (101) of the central body (10).

5. Exoskeleton according to claim 4, in which the lower pulley (13 ') and the upper pulley (13 ") have different distances from the longitudinal axis of the exoskeleton.

6. Exoskeleton according to claim 4 or 5, in which the arms (120) are inclined downwards in the worn condition of the exoskeleton.

7. Exoskeleton according to claim 6, in which the arms (120) have an inclination of 45 ° with respect to the plane on which the central body (10) lies.

8. Exoskeleton according to one or more of the preceding claims, in which the central body (10) is provided with lateral wings (11) in contact with the user's body.

9. Exoskeleton according to one or more of the preceding claims, wherein said flexible connecting means comprise a tubular element (3).

10. Exoskeleton according to claim 9 wherein a single tubular element (3) is provided to which the vertebral elements (1) are fixed.

11. Exoskeleton according to one or more of the preceding claims, wherein said cable (2) is at least partly elastic.

12. Exoskeleton according to one or more of the preceding claims, wherein said cable (2) is operated by an actuator.