IT201900017558A1 - Catena cinematica per l'assistenza alla flesso-estensione di un'articolazione - Google Patents
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Description
Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo “Catena cinematica per l'assistenza alla flesso-estensione di un'articolazione”
DESCRIZIONE
Ambito dell’invenzione
La presente invenzione riguarda l’ambito degli esoscheletri robotici per la riabilitazione ortopedica.
In particolare, l’invenzione riguarda una catena cinematica modulare per l’assistenza al movimento di un’articolazione anatomica.
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 alla movimentazione di articolazioni anatomiche, quali ad esempio l’insieme di falangi che costituisce il dito della mano.
Ad oggi, sebbene vi 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 ad articolazioni come quelle della mano risultano essere molto complessi dal punto di vista cinematico, perché devono avere un effetto di rotazione sui giunti anatomici attraverso una cinematica che non è allineata al giunto, ma piuttosto disposta al di sopra o lateralmente. Questo comporta frequentemente l’indesiderata generazione di forza parassite sui segmenti ossei, che abbassano il confort di utilizzo e l’efficacia nell’assistenza alla movimentazione.
Risulta dunque di grande importanza trovare una catena cinematica con poco ingombro laterale in grado di seguire bene il movimento di flesso-estensione della mano accompagnando e assistendone il movimento.
In WO2014033613 viene proposto un dispositivo esoscheletrico per assistere il movimento di una articolazione metacarpo-falangea di una mano, comprendente un supporto metacarpale, un supporto falangeo ed una catena cinematica tra il supporto metacarpale e il supporto falangeo. Tale catena cinematica comprende a sua volta una slitta metacarpale, un link rigido girevolmente connesso alla slitta metacarpale mediante un primo vincolo rotoidale, un secondo vincolo rotoidale tra il link rigido e il supporto falangeo, e mezzi di attuazione per imporre una prima rotazione al link rigido e una seconda rotazione al supporto.
Tale soluzione presenta tuttavia un’elevata rigidezza, comportando sia una bassa adattabilità alle dimensioni antropometriche dell’utente, sia la generazione di forze vincolari parassite sulle falangi dovute al fatto che l’esoscheletro non riesce a seguire fedelmente lo spostamento degli assi di rotazione dei giunti anatomici durante la flesso-estensione del dito.
Sintesi dell’invenzione
È quindi scopo della presente invenzione fornire una catena cinematica per l'assistenza alla movimentazione di un'articolazione anatomica che permetta di seguire fedelmente lo spostamento degli assi di rotazione dei giunti anatomici durante la movimentazione dell’articolazione stessa.
È anche scopo della presente invenzione fornire una siffatta catena cinematica che permetta di adattarsi a differenti misure antropometriche dell’utente non note a priori.
È ancora scopo della presente invenzione fornire una siffatta catena cinematica che abbia ingombro e peso contenuti rispetto alle soluzioni di tecnica nota.
È un ulteriore scopo della presente invenzione fornire una siffatta catena cinematica che permetta di porre in serie uno o più moduli per adattarsi a differenti articolazioni e condizioni mediche.
Questi ed altri scopi sono raggiunti da una catena cinematica per l'assistenza alla movimentazione di un'articolazione anatomica secondo le rivendicazioni da 1 a 11.
Tale soluzione permette di porre in serie un numero n di elementi rotanti che può essere variato in funzione dell’impiego specifico e del tipo di articolazione da assistere.
Ad esempio, in una configurazione basilare, è possibile utilizzare un solo elemento rotante ( n = 1) e un vincolo di rototraslazione tra l’elemento allungato e l’elemento terminale. In tal caso, tra l’elemento terminale e il telaio, ossia tra le due porzioni di impegno vincolate alle porzioni anatomiche a monte e a valle dell’articolazione, vi è un vincolo di rototraslazione in cui lo spostamento del centro istantaneo di rotazione tra elemento allungato e telaio e la traslazione tra l’elemento allungato e l’elemento terminale permettono il corretto allineamento della catena cinematica con le porzioni anatomiche, consentendo il libero movimento dell’articolazione senza che vi siano forze parassite scaricate sull’articolazione stessa, fino ad un certo valore della rotazione del giunto anatomico.
In caso che il giunto anatomico debba compiere una rotazione maggiore, è possibile aumentare il numero di elementi rotanti ( n ≥ 3) e, eventualmente, rimuovere il vincolo di rototraslazione tra elemento allungato ed elemento terminale.
Inoltre, a seconda della distanza tra le porzioni anatomiche a monte e a valle dell’articolazione e dell’angolo massimo da realizzare, è possibile utilizzare elementi rotanti che abbiano differenti valori di r i e r i<′>, in modo da variare la rotazione relativa che ogni elemento rotante compie rispetto all’elemento precedente.
La catena cinematica secondo la presente invenzione, dunque, permette di fornire assistenza adattandosi a qualsiasi tipologia di articolazione e misura antropometrica, senza generare reazioni vincolari parassite sulle articolazioni del paziente.
Inoltre, l’attuazione della catena cinematica può essere realizzata mediante un sistema di cavi e pulegge, oppure mediante l’attuazione di un singolo elemento rotante.
In particolare, in caso che la trasmissione del moto fra gli elementi della catena sia realizzato mediante profili dentati, l’attuazione può essere realizzata facendo ingranare un attuatore con un elemento rotante.
Un ulteriore vantaggio della presente invenzione risiede nel fatto che è possibile porre in serie una pluralità di moduli cinematici, mediante vincoli di rototraslazione, per assistere tutte le articolazioni di un giunto poliarticolare, quale, ad esempio, un dito di mano o la colonna vertebrale.
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 in maniera schematica il principio di funzionamento di un modulo della catena cinematica, secondo la presente invenzione, nel caso
- la figura 2 mostra in maniera schematica il principio di funzionamento un modulo della catena cinematica, secondo la presente invenzione, nel caso
- le figure 3A e 3B mostrano schematicamente i lati opposti di una possibile forma realizzativa di un modulo della catena cinematica, secondo la presente invenzione, in cui i profili degli elementi rotanti, del telaio e dell’elemento allungato sono profili dentati atti ad ingranare tra loro;
- la figura 4 mostra la forma realizzativa di figure 3A e 3B con rotazioni relative non nulle;
- le figure 5A e 5B mostrano i lati opposti di una possibile forma realizzativa di un modulo della catena cinematica, secondo la presente invenzione, in cui è inoltre mostrato un sistema di attuazione comprendente un cavo e 3 pulegge;
- la figura 6 mostra in prospettiva la forma realizzativa di figure 5A e 5B;
- la figura 6A mostra un dettaglio di figura 6;
- le figure 7A e 7B mostrano i lati opposti di una possibile forma realizzativa di un modulo della catena cinematica, secondo la presente invenzione, in cui sono previsti elementi rotanti di ridondanza;
- la figura 8 mostra in prospettiva la forma realizzativa di figure 7A e 7B in cui un elemento terminale di un primo modulo è reso solidale al telaio di un secondo modulo per porre i due moduli in serie;
- la figura 8A mostra un dettaglio di figura 8;
- la figura 9 mostra una forma realizzativa della catena cinematica, secondo la presente invenzione, in cui tre moduli cinematici sono posti in serie, mediante il sistema di accoppiamento mostrato nelle figure 8 e 8A.
Descrizione di alcune forme realizzative preferite Con riferimento alle figure 1, 2, 3 e 4, la catena cinematica per l'assistenza alla movimentazione di un'articolazione anatomica comprende almeno un modulo cinematico 100 comprendente un telaio 105 avente una prima estremità 106, comprendente una prima porzione di impegno 180 atta a vincolarsi solidalmente ad una porzione anatomica prossimale rispetto all’articolazione, ed una seconda estremità 106’ comprendente un profilo ed un centro di rotazione
Il modulo cinematico 100 comprende poi un numero n di elementi rotanti, definiti da un indice Ciascun iesimo elemento rotante ha una prima estremità, comprendente un profilo ed un centro di rotazione ed una seconda estremità, comprendente un profilo ed un centro di rotazione
Il modulo cinematico 100 comprende inoltre un elemento allungato 140 avente una prima estremità 141 comprendente un profilo ed un centro di rotazione L’elemento allungato 140 è vincolato ad un elemento terminale 107 comprendente una seconda porzione di impegno 180’ atta a vincolarsi solidalmente ad una porzione anatomica distale rispetto all’articolazione.
In particolare, nelle figure è mostrata la soluzione con n = 3. Pertanto:
- l’elemento rotante i = 1 corrisponde all’elemento rotante 110 e comprende una prima estremità 111, comprendente un profilo P1 ed un centro di rotazione O1, ed una seconda estremità 111’, comprendente un
profilo ed un centro di rotazione
- l’elemento rotante i = 2 corrisponde all’elemento rotante 120 e comprende una prima estremità 121, comprendente un profilo ed un centro di rotazione ed una seconda estremità 121’, comprendente un
profilo ed un centro di rotazione
- l’elemento rotante i = 3 corrisponde all’elemento rotante 130 e comprende una prima estremità 131, comprendente un profilo ed un centro di rotazione ed una seconda estremità 131’, comprendente un
profilo ed un centro di rotazione
- l’elemento allungato 140 ha una prima estremità 141 comprendente un profilo ed un centro di rotazione
In particolare, il telaio 105, gli elementi rotanti 110,120,130 e l’elemento allungato 140 sono disposti su piani paralleli in maniera alternata.
Per mostrare la disposizione su piani paralleli degli elementi del modulo 100, nelle figure 1 e 2 il telaio 105, l’elemento rotante 120 e l’elemento allungato 140 sono parzialmente trasparenti e mostrano gli elementi rotanti 110 e 130 disposti nel piano sottostante.
In particolare, il piano di riferimento passante per il centro di rotazione del telaio 105, è complanare al piano passante per i centri di rotazione e
dell’elemento rotante 120, e al piano passante per il centro di rotazione dell’elemento allungato 140. <Analogamente, il piano> <passante per i centri di rotazione >
e dell’elemento rotante 110, è complanare al piano
passante per i centri di rotazione e dell’elemento rotante 130, ed entrambi i piani e sono paralleli ai piani
Inoltre, il modulo cinematico 100 è configurato in modo tale che l’elemento rotante 110 sia vincolato ad effettuare una rotazione relativa rispetto al telaio 105 attorno ad un asse passante per i centri di rotazione e
sovrapposti tra loro e disposti, rispettivamente, sui piani paralleli e In tal modo la rotazione relativa giace sul piano di riferimento
Analogamente, l’elemento rotante 120 è vincolato ad effettuare, sul piano di riferimento una rotazione relativa rispetto all’elemento rotante 110 attorno ad un asse passante per i centri di rotazione e l’elemento rotante 130 è vincolato ad effettuare, sul piano di riferimento una rotazione relativa rispetto all’elemento rotante 120 attorno ad un asse passante per i centri di rotazione e e l’elemento allungato 140 è vincolato ad effettuare, sul piano di riferimento una rotazione relativa rispetto all’elemento rotante 130 <attorno ad un asse passante per i centri di rotazione > <e >
Inoltre, i profili sono opportunamente a contatto tra loro nei punti Tale contatto può generare un vincolo di attrito atto a trasmettere un moto di puro rotolamento, come nel caso delle figure 1 e 2, oppure può essere un contatto tra profili dentati, come nel caso delle figure da 3A a 9.
In entrambi i casi, le distanze tra i vari centri di <rotazione > <e i rispettivi punti di contatto >
fra elementi del modulo 100 sono definiti mediante
le relazioni generali:
dove
In particolare, nel caso mostrato di si ha: dove
Nel caso in cui i profili siano profili dentati circolari aventi centri di curvatura coincidenti con detti rispettivi centri di rotazione le grandezze costituiscono i raggi primitivi di tali profili dentati circolari.
In tutte le forme realizzative mostrate, il contatto nei punti è atto a trasmettere un moto rotatorio senza strisciamento tra il telaio 105, gli elementi rotanti 110,120,130 e l’elemento allungato 140, verificando l’equazione:
con
<Pertanto, nel caso> <si ha:>
Tale equazione vincola tra loro gli angoli relativi tra i vari elementi della catena cinematica, permettendo di azionare una singola rotazione per movimentare in maniera predeterminata tutti gli elementi della catena.
In particolare, nel caso di figura 1 e delle figure da 3A a 9, gli elementi sono tali da avere
e dunque
In figura 2 è mostrata invece una forma realizzativa <in cui> <comportando le relazioni:>
La forma realizzativa di figura 2 permette di avere un incremento angolare costante nella rotazione dei vari elementi del modulo 100, permettendo di raggiungere, a parità di elementi del modulo e a parità di valore di un angolo relativo tra elemento allungato 140 e telaio 105 molto maggiore rispetto alla forma realizzativa di figura 1.
Con riferimento alle figure 5A e 5B, in una forma realizzativa applicativa della presente invenzione, il modulo cinematico 100 comprende inoltre un sistema di attuazione comprendente un cavo 171 e 3 pulegge 172 atte a generare le rotazioni relative
Inoltre, come mostrato nelle figure 6 e 6A, tale forma realizzativa prevede un vincolo di rototraslazione tra la seconda estremità 141’ dell’elemento allungato e l’elemento terminale 107. In tal modo, il modulo cinematico 100 può seguire con maggiore precisione lo spostamento del giunto anatomico dell’articolazione durante la rotazione.
Nelle figure 7a e 7b è mostrata una possibile forma realizzativa del modulo 100, in cui sono previsti elementi rotanti 110’ e 130’ di ridondanza da parte opposta rispetto agli elementi rotanti 110 e 130. In tal modo, si ha una maggiore solidità strutturale della catena cinematica.
La figura 9 mostra una forma realizzativa della catena cinematica 10, in cui tre moduli cinematici 100a, 100b e 100c sono posti in serie, mediante il sistema di accoppiamento mostrato nelle figure 8 e 8A. Tale sistema di accoppiamento prevede che un elemento terminale 107 di un primo modulo 100a sia reso solidale al telaio 105 di un secondo modulo 100b e così via. In tal modo, tra i moduli posti in serie vi è un vincolo di rototraslazione che permette di seguire con maggiore precisione lo spostamento dei giunti anatomici durante la movimentazione del segmento poliarticolare, quale ad esempio una flesso-estensione di un dito di mano.
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 (11)
- RIVENDICAZIONI 1. Una catena cinematica (10) per l'assistenza alla movimentazione di un'articolazione anatomica comprendente almeno un modulo cinematico (100,100a,100b,100c) comprendente: - un telaio (105) avente una prima estremità (106) ed una seconda estremità (106’) comprendente un profilo ed un centro di rotazione detto telaio (105) avendo un piano di riferimentopassante per detto centro di rotazione detto telaio (105) comprendente una prima porzione di impegno (180) atta a vincolarsi ad una porzione anatomica prossimale rispetto a detta articolazione; - un numero di elementi rotanti (110, 120, 130), definiti con indice ciascun i-esimo elemento rotante avendo una prima estremità (111, 121, 131), comprendente un profilo ed un centro di rotazione ed una seconda estremità (111’, 121’, 131’), comprendente un profilo ed un centro di rotazione ciascun i-esimo elemento rotante avendo un piano di riferimento passante <per detti centri di rotazione> <e>- un elemento allungato (140) avente una prima estremità (141) comprendente un profilo ed un centro di rotazione detto elemento allungato (140) essendo vincolato ad un elemento terminale (107) comprendente una seconda porzione di impegno (180’) atta a vincolarsi ad una porzione anatomica distale rispetto a detta articolazione; detta catena cinematica (10) essendo caratterizzata dal fatto di essere configurata in modo tale che: - detto piano di riferimento sia parallelo ad un piano di riferimento e complanare rispetto ad <un piano di riferimento>- per i = 1, … , n ciascun piano di riferimento sia parallelo ad un piano di riferimento e <complanare rispetto ad un piano di riferimento>- l’elemento rotante i = 1 sia vincolato ad effettuare una rotazione relativa rispetto a detto telaio (105) attorno ad un asse passante per i centri di rotazione e detta rotazione relativa<giacendo su un rispettivo piano di riferimento>- per i = 1, … , n ciascun elemento rotante i 1 sia vincolato ad effettuare una rotazione relativarispetto ad un elemento rotante � attorno ad un asse passante per i centri di rotazione edetta rotazione relativa giacendo su un <rispettivo piano di riferimento >- detto profilo sia a contatto con un profiloin un punto in modo tale che<dove>- per ciascun profilo sia a contatto con un profilo in un punto in modo tale <che > <dove >e dal fatto che detto contatto tra profili e permette una trasmissione di un moto rotatorio senza strisciamento tra detto telaio (105), detti elementi rotanti (110, 120, 130) e detto elemento allungato <(140), verificando l’equazione:>con
- 2. La catena cinematica (10), secondo la rivendicazione 1, in cui detti profili sono profili dentati circolari aventi centri di curvatura coincidenti con detti rispettivi centri di rotazione e aventi raggi primitivi con e in cui detti profili sono atti a ingranare tra loro per trasmettere detto moto rotatorio senza strisciamento.
- 3. La catena cinematica (10), secondo la rivendicazione 1, in cui detti profili sono archi di circonferenza aventi centri di curvatura coincidenti <con detti rispettivi centri di rotazione > <e > e aventi raggi di curvatura con i = e in cui detti profili hanno un vincolo di contatto con attrito per trasmettere detto moto rotatorio senza strisciamento.
- 4. La catena cinematica (10), secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, in cuiottenendo
- 5. La catena cinematica (10), secondo una delle <rivendicazioni da 1 a 3, in cui> <per >ottenendo
- 6. La catena cinematica (10), secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui detto elemento allungato (140) è vincolato a detto elemento terminale (107) mediante un vincolo di rototraslazione.
- 7. La catena cinematica (10), secondo la rivendicazione 6, in cui
- 8. La catena cinematica (10), secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui
- 9. La catena cinematica (10), secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui detto o ciascun modulo cinematico (100,100a,100b,100c) comprende un sistema di attuazione comprendente almeno un cavo (171) e almeno una puleggia (172) atti a generare detta rotazione relativa e/o detta o ciascuna rotazione relativa
- per attuare detta catena cinematica (10). 10. La catena cinematica (10), secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui detto o ciascun modulo cinematico (100,100a,100b,100c) comprende un sistema di attuazione comprendente almeno una molla (173) atta a contrastare detta rotazione relativa e/o detta o ciascuna rotazione relativa
- 11. La catena cinematica (10), secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui è prevista la presenza di almeno un primo modulo cinematico (100a) ed un secondo modulo cinematico (100b) posti in serie e in cui un elemento terminale (107a) di detto primo modulo cinematico (100a) è vincolato rotoidalmente ad un telaio (105b) di detto secondo modulo cinematico (100b).
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