IT202100011273A1

IT202100011273A1 - Bilanciamento elastico di carichi in un esoscheletro

Info

Publication number: IT202100011273A1
Application number: IT102021000011273A
Authority: IT
Inventors: Guglielmo Luca De; Gianluca Capitta; Matteo Laffranchi; Michieli Lorenzo De
Original assignee: Fondazione St Italiano Tecnologia; I N A I L Istituto Naz Per Lassicurazione Contro Gli Infortuni Sul Lavoro
Priority date: 2021-05-04
Filing date: 2021-05-04
Publication date: 2022-11-04
Also published as: WO2022234446A1; US20240316798A1; EP4333791A1

Description

DESCRIZIONE dell?invenzione industriale dal titolo: ?Bilanciamento elastico di carichi in un esoscheletro?

DESCRIZIONE

Settore tecnico

La presente invenzione riguarda un esoscheletro con un meccanismo per il bilanciamento elastico di carichi applicati all?esoscheletro.

Tecnica nota

Come noto, gli esoscheletri sono applicati per aiutare una persona nei movimenti, ad esempio nella riabilitazione di un paziente, oppure nell?industria manufatturiera, per aiutare gli operatori a sollevare o spostare carichi pesanti, o a tenere le braccia sollevate per lungo tempo.

Sono noti nella tecnica meccanismi di bilanciamento elastico dei carichi, nei quali il movimento di un elemento che viene ruotato ? controbilanciato dalla forza elastica di una molla sottoposta a trazione. Si vedano, ad esempio, le pubblicazioni brevettuali CN 107738275 A, GB 329286 A, US 4768762 A.

Nell?applicazione su un esoscheletro, ? sentita l?esigenza di lasciare un?ampia libert? di movimento a chi lo indossa, non solo relativamente all?arto coinvolto nella riabilitazione o nell?esecuzione di determinati movimenti, ma a tutto il corpo.

Sintesi dell?invenzione

La presente invenzione si prefigge quindi lo scopo di realizzare un esoscheletro del tipo sopra specificato, affrontando in via principale il problema di realizzare un meccanismo elastico, incorporato nell?esoscheletro, avente dimensioni il pi? possibile compatte, pur essendo in grado di caricarsi elasticamente e restituire all?utilizzatore una forza elastica adeguata. Un ulteriore scopo dell?invenzione ? ottenere meccanismo di bilanciamento robusto e meccanicamente semplice.

Il suddetto ed altri scopi e vantaggi sono pienamente raggiunti secondo la presente invenzione grazie ad un esoscheletro avente le caratteristiche definite nell'annessa rivendicazione indipendente 1.

Forme di realizzazione preferite sono enunciate nelle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto ? da ritenersi come parte integrante della descrizione che segue.

In sintesi, l'invenzione si fonda sull'idea di dotare un esoscheletro di un meccanismo di compensazione che, grazie alla presenza di una leva, permette di usare una molla a compressione molto rigida in grado di restituire una forza di intensit? particolarmente elevata, occupando un ingombro ridotto.

Secondo un aspetto, l?invenzione realizza un esoscheletro comprendente un meccanismo per il bilanciamento elastico di carichi applicati all?esoscheletro, dove il meccanismo comprende:

un elemento di collegamento ed un involucro infulcrati attorno ad un primo asse di oscillazione e fissabili a due rispettive parti relativamente girevoli dell?esoscheletro;

almeno una leva montata girevolmente all?involucro attorno ad un secondo asse di oscillazione parallelo al primo;

almeno un elemento di trazione flessibile avente un primo capo solidale all?elemento di collegamento e un secondo capo vincolato alla leva in un punto di vincolo distanziato dal secondo asse di oscillazione;

almeno una molla di compressione che agisce in rapporto di spinta contro la leva in allontanamento dal primo asse di oscillazione.

Breve descrizione dei disegni

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno dalla descrizione dettagliata che segue, data a puro titolo di esempio non limitativo con riferimento ai disegni allegati, in cui:

le figure 1 e 2 sono viste schematiche di un esoscheletro esemplificativo, dotato di un meccanismo per il bilanciamento elastico di carichi secondo una forma di realizzazione dell?invenzione, in due posizioni operative;

le figure 3 e 4 sono viste schematiche in sezione longitudinale di un meccanismo di bilanciamento elastico in due posizioni operative distinte;

la figura 5 ? una vista schematica prospettica del meccanismo delle figure 3 e 4; e

la figura 6 ? una vista in alzato dell?esoscheletro e del suo meccanismo di bilanciamento.

Descrizione dettagliata

Facendo inizialmente riferimento alle figure 1 e 2, con il numero 10 ? indicato un esoscheletro, applicato in questo esempio alla spalla di un utente per muoversi solidalmente ad essa. Il riferimento a questo possibile campo di applicazione non deve essere in alcun modo interpretato come limitativo. Le persone esperte nel settore riconosceranno che il principio di funzionamento del meccanismo di bilanciamento qui descritto ? applicabile sia ad esoscheletri riabilitativi diversi da quello delle figure 1 e 2 e applicabili ad altre parti del corpo umano, e sia ad esoscheletri utilizzabili in settori diversi da quello dell?ingegneria biomedica, ad esempio nell?industria manufatturiera.

L?esoscheletro 10 comprende un meccanismo 11 per il bilanciamento elastico di carichi applicati all?esoscheletro. Il meccanismo 11 comprende un elemento di collegamento 12 ed un involucro 13 reciprocamente infulcrati attorno ad un primo asse di oscillazione 14, in questo esempio un asse orientato orizzontalmente. L?elemento di collegamento 12 e l?involucro 13 sono due elementi rigidi rispettivamente fissabili a due ulteriori elementi dell?esoscheletro. Nel presente esempio, l?involucro 13 ? fissato ad una parte prossimale 15 dell?esoscheletro, mentre l?elemento di collegamento 12 ? fissato ad un elemento distale 16 dell?esoscheletro, che segue i movimenti del corpo dell?utente, in questo esempio i movimenti della spalla dell?utente.

Nella forma di realizzazione illustrata nei disegni, l?elemento di collegamento 12 comprende una porzione a piastra 17 con fori 18 per il fissaggio all?elemento mobile 16 dell?esoscheletro, e due orecchie 19 che supportano un asse 20 disposto lungo il primo asse di oscillazione 14. All?asse 20 ? incernierata un?estremit? 21 dell?involucro 13. Per il fissaggio all?esoscheletro, l?involucro 13 presenta un mezzo di fissaggio 38, in questo esempio in forma di boccola (figura 5).

Secondo una forma di realizzazione, un elemento eccentrico o camma 22 ? solidale rotazionalmente all?elemento di collegamento 12 attorno al primo asse di oscillazione 14. Preferibilmente, come nell?esempio illustrato, sono previsti due elementi eccentrici (o camme) 22, 23 distanziati lungo l?asse di oscillazione 14. Ciascun elemento eccentrico 22, 23 presenta una superficie radialmente esterna eccentrica 24 e un punto di vincolo 25 dove ? fissato, in modo rotazionalmente solidale all?elemento di collegamento 12 attorno al primo asse di oscillazione, un primo capo 28 di un rispettivo elemento di trazione 26, 27 flessibile ed elasticamente inestensibile.

Sull?involucro 13 ? montata girevolmente almeno una leva 31, preferibilmente due leve parallele 31, 32, attorno ad un secondo asse di oscillazione 30 parallelo al primo asse di oscillazione 14. Le leve 31, 32 sono incernierate all?involucro in corrispondenza di loro prime estremit? 34 al secondo asse di oscillazione, e hanno ciascuna una seconda estremit? 36 vincolata ad un rispettivo secondo capo 37 dei due elementi di trazione 26, 27.

Gli elementi di trazione 26, 27 possono comprendere catene o cavi o altri corpi flessibili ed inestensibili.

Preferibilmente, come nella forma di realizzazione illustrata, ciascun elemento di trazione 26, 27 incorpora un rispettivo dispositivo di regolazione 29, in questo esempio un dispositivo di regolazione filettato, per la regolazione della lunghezza del rispettivo elemento di trazione.

L?involucro comprende almeno un elemento elastico in forma di molla di compressione 40, elasticamente compresso tra una base 41 solidale all?involucro e disposta dalla parte del primo asse di oscillazione 14, ed una testa 42 mobile lungo l?involucro, disposta pi? lontana dal primo asse di oscillazione 14 e pi? vicina al secondo asse di oscillazione 30, ed agente in rapporto di spinta contro una porzione intermedia 35 della leva o di ciascuna leva 31, 32, in una posizione intermedia tra il secondo asse di oscillazione 30 e la seconda estremit? 36 delle leve 31, 32.

La testa 42 pu? convenientemente essere appoggiata alla leva 31, 32 ed agire contro di essa in rapporto di spinta senza essere collegata in modo articolato ad essa.

Possono essere previsti due o pi? molle di compressione 40 parallele e cooperanti, agenti in rapporto di spinta contro le leve 31, 32. La forza elastica delle molle di compressione 40 tende gli elementi di trazione 26, 27. I dispositivi di regolazione 29 permettono di regolare il precarico della molla o delle molle di compressione 40.

Preferibilmente, come illustrato nelle figure 3 e 4 la molla di compressione 40 ? accolta all?interno dell?involucro 13 ed ? guidata all?interno di esso nei suoi movimenti di compressione ed estensione.

Preferibilmente, come illustrato nell?esempio della figura 5, il meccanismo 11 comprende due o pi? leve 31, 32 e un corrispondente numero di detti elementi di trazione 26, 27, associati ciascuno ad una rispettiva leva e giacenti in piani paralleli, perpendicolari agli assi di oscillazione 14, 30. Il funzionamento del meccanismo 11 ? il seguente. Partendo da una posizione iniziale o di riposo (figure 1 e 3) la molla di compressione 40 ? distesa o sottoposta tuttalpi? ad un precarico determinato dalla taratura del dispositivo di regolazione 29. Quando un movimento impartito dall?utente all?esoscheletro provoca una rotazione della parte distale 16 dell?esoscheletro (figura 2), la conseguente rotazione relativa tra l?elemento di collegamento 12 e l?involucro 13 attorno al primo asse di oscillazione 14 mette anche in rotazione la camma 24 che, tramite gli elementi di trazione 26, 27 tira la leva 31, 32 verso il primo asse di oscillazione comprimendo ulteriormente la molla 40. La reazione della molla genera attorno al primo asse di oscillazione una coppia uguale e contraria rispetto a quella prodotta dal carico. La coppia generata varia in funzione dell?angolo di rotazione del carico per effetto della diversa compressione della molla e del particolare profilo della superficie radialmente esterna 24 delle camme 22, 23.

Come si potr? apprezzare, il meccanismo 11 presenta una configurazione molto compatta grazie alla presenza di una leva abbinata ad una molla a compressione. Rispetto ad un convenzionale collegamento diretto tra molla e elemento flessibile, caratteristico dei sistemi dell?attuale stato dell?arte, l?introduzione delle leve 31, 32 consente:

- un semplice posizionamento di molle a compressione disposte parallelamente e molto vicine agli elementi di trazione flessibili 26, 27, con evidenti vantaggi di ingombro trasversale;

- l?introduzione di un rapporto di leva che permette di utilizzare molle pi? rigide e con minore corsa.

Le molle di compressione possono essere molto corte; non essendo soggette ad elongazione (bens? ad accorciamento, essendo molle di compressione), non occorre predisporre nell?esoscheletro degli spazi dedicati a consentire il loro temporaneo allungamento in fase di esercizio; ne consegue un?ulteriore riduzione di ingombri. La molla, infatti, ? l?elemento che pi? condiziona l?ingombro complessivo di un meccanismo di questo tipo; perci?, la possibilit? di utilizzare molle rigide a corsa ridotta garantisce una notevole compattezza del meccanismo.

Preferibilmente, il profilo delle superfici radialmente esterne 24 della(e) camma(e) 22, 23 ? realizzato in modo che il prodotto della distanza dall?asse di rotazione 14 della forza tangenziale e la forza stessa, generata dall?azione della molla 40 sulla leva 31, sia crescente in modo equivalente alla coppia da bilanciare. Infatti, la coppia da bilanciare, uguale al peso della parte mobile dell?esoscheletro per la distanza orizzontale del suo baricentro dall?asse di rotazione, aumenta con l?inclinazione della parte mobile dell?esoscheletro rispetto all?asse verticale in modo direttamente proporzionale al seno dell?angolo di inclinazione.

Secondo una forma di realizzazione preferenziale, le superfici radialmente esterne ed eccentriche 24 sono conformate in modo da presentare una distanza radiale dal primo asse di oscillazione 14 maggiore in una loro parte pi? lontana dalle leve 31, 32 e una distanza radiale minore in una loro parte pi? vicina alle leve 31, 32. I punti di vincolo 25 degli elementi di trazione 26, 27 alle camme 22, 23 sono collocati nelle parti delle camme dove la distanza radiale delle superfici esterne 24 dal primo asse di oscillazione 14 ? maggiore. Gli elementi di trazione 26, 27, avvolgendosi sulle superfici radialmente esterne delle camme agiscono tangenzialmente rispetto al primo asse di rotazione delle camme garantendo sempre la coppia necessaria man mano che la molla si comprime.

Secondo la tecnica nota, un collegamento diretto tra la molla e l?elemento che si avvolge sulla camma, costringe ad utilizzare una molla con corsa utile almeno pari all?intero perimetro della camma. Questo si traduce in una molla lunga che penalizza gli ingombri. La lunghezza libera della molla condiziona fortemente la dimensione assiale del sistema che ? quella preponderante e pi? difficile da limitare. Secondo un aspetto della presente invenzione, sfruttando invece il rapporto di leva a parit? di perimetro di camma, si riduce la corsa necessaria della molla, si possono utilizzare molle a maggiore rigidezza e piccola corsa, ovvero pi? corte.

Si apprezzer? inoltre un vantaggio legato al parallelismo tra l?asse della molla di compressione 40 e dell?elemento di trazione 26, 27: se, come nell?attuale stato dell?arte, non si riesce a disporre in maniera parallela e ravvicinata la retta d?azione della molla e quella dell?elemento che si avvolge sulla camma, la dimensione perpendicolare agli assi di azione dell?elemento flessibile ne risulta fortemente penalizzata. Il meccanismo qui descritto invece, dispone tutti gli elementi su rette parallele estremamente vicine, in modo che la dimensione trasversale del dispositivo sia poco pi? grande dell?ingombro dei singoli elementi.

Il sistema descritto trova la sua applicazione tutte le volte che ? necessario bilanciare un carico libero di ruotare intorno a un asse non baricentrale minimizzando le dimensioni del meccanismo stesso.

Sono stati descritti diversi aspetti e forme di realizzazione dell?esoscheletro. Si intende che ciascuna forma di realizzazione pu? essere combinata con qualsiasi altra forma di realizzazione. L?invenzione, inoltre, non ? limitata alle forme di realizzazione descritte, ma potr? essere variata entro l?ambito definito dalle rivendicazioni annesse.

Claims

RIVENDICAZIONI

1. Esoscheletro (10) comprendente un meccanismo (11) per il bilanciamento elastico di carichi applicati all?esoscheletro, il meccanismo (11) comprendendo:

un elemento di collegamento (12) rigido ed un involucro (13) rigido reciprocamente infulcrati l?uno all?altro attorno ad un primo asse di oscillazione (14) e fissabili a rispettive parti (15, 16) relativamente girevoli dell?esoscheletro;

almeno una leva (31, 32) montata girevolmente all?involucro (13) attorno ad un secondo asse di oscillazione (30) parallelo al primo asse di oscillazione (14);

almeno un elemento di trazione (26, 27) flessibile avente un primo capo (28) vincolato in modo rotazionalmente solidale all?elemento di collegamento (12) rispetto al primo asse di oscillazione (14) e un secondo capo (37) vincolato a detta leva (31, 32) in un punto di vincolo (36) distanziato dal secondo asse di oscillazione (30);

almeno una molla di compressione (40) elasticamente compressa tra una base (41) solidale all?involucro (13) e disposta dalla parte del primo asse di oscillazione (14), ed una testa (42) mobile lungo l?involucro, disposta pi? lontana dal primo asse di oscillazione (14) e pi? vicina al secondo asse di oscillazione (30), la testa (42) agendo in rapporto di spinta, in allontanamento dal primo asse di oscillazione, contro una porzione (35) della leva (31, 32) intermedia tra il secondo asse di oscillazione (30) e il punto (36) di vincolo al secondo capo (37) dell?elemento di trazione (26, 27).

2. Esoscheletro (10) secondo la rivendicazione 1, in cui il meccanismo (11) comprende almeno un elemento a camma (22, 23) rotazionalmente solidale all?elemento di collegamento (12) rispetto al primo asse di oscillazione (14), detto elemento a camma avendo una superficie radialmente esterna (24) eccentrica rispetto al primo asse di oscillazione avente una distanza radiale dal primo asse di oscillazione (14) maggiore in una parte pi? lontana da detta leva (31, 32), e una distanza radiale minore dal primo asse di oscillazione in una parte pi? vicina a detta leva (31, 32).

3. Esoscheletro (10) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta molla di compressione (40) si estende in una direzione sostanzialmente parallela a detto almeno un elemento di trazione (26, 27).

4. Esoscheletro (10) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il meccanismo (11) comprende una pluralit? di dette leve (31, 32) e di detti elementi di trazione (26, 27) associati ciascuno ad una rispettiva di dette leve (31, 32) e giacenti in piani paralleli, perpendicolari agli assi di oscillazione (14, 30).

5. Esoscheletro (10) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il meccanismo (11) comprende una pluralit? di dette molle di compressione (40) affiancate parallelamente.

6. Esoscheletro (10) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui detta almeno una molla di compressione (40) ? accolta all?interno di detto involucro (13) ed ? guidata all?interno di esso nei suoi movimenti di compressione ed estensione.

7. Esoscheletro (10) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, comprendente almeno un dispositivo di regolazione (29) atto a regolare il precarico di detta almeno una molla di compressione (40).

8. Esoscheletro (10) secondo la rivendicazione 7, in cui il dispositivo di regolazione (29) include almeno un mezzo di regolazione filettato per la regolazione della lunghezza di detto almeno un elemento di trazione (26, 27).

9. Esoscheletro (10) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui detta testa mobile (42) sollecitata da detta almeno una molla agisce in rapporto di appoggio contro detta almeno una leva (31, 32).

10. Esoscheletro (10) secondo la rivendicazione 2, in cui la superficie radialmente esterna (24) di detto almeno un elemento a camma (22, 23) ? conformata in modo che il prodotto della forza tangenziale generata dall?azione della molla (40) sulla leva (31) per la distanza della forza tangenziale dall?asse di rotazione (14), ? crescente in modo equivalente alla coppia da bilanciare.