IT202100023081A1 - Dispositivo di assistenza al movimento per l’articolazione del gomito - Google Patents

Description

Titolo ?Dispositivo di assistenza al movimento per l?articolazione del gomito?

DESCRIZIONE

Il progetto che ha portato a questa domanda ha ricevuto finanziamenti dal programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell'Unione Europea secondo l'accordo di concessione n. 871237.

Campo tecnico

La presente invenzione riguarda un dispositivo di assistenza al movimento per l?articolazione del gomito, indossabile da un utilizzatore per la compensazione dello sforzo del gomito da usare soprattutto in applicazioni industriali, in cui il sistema di azionamento ? collocato a distanza in corrispondenza della parte superiore della schiena del corpo dell'utilizzatore al fine di ridurre il peso del dispositivo distribuito sul braccio umano. Il sistema di azionamento ? azionato tramite cavo, ? conforme ai profili di coppia/angolo del gomito umano, ? leggero, ed ? provvisto di materiale di accumulo di energia.

Stato dell'arte dell'invenzione

Gli esoscheletri robotici sono dispositivi meccanici indossabili progettati per migliorare le prestazioni fisiche dell?utilizzatore, o per assisterlo nel recuperare una funzionalit? indebolita o persa. Per creare dispositivi attivi che siano funzionali, ma anche sicuri ed ergonomici per le applicazioni di interesse, devono essere soddisfatti svariati requisiti riguardanti la comodit? e la sicurezza dell?utilizzatore, una bassa massa/inerzia, l'intervallo di movimento, facilit? di indossabilit? e l'intervallo di forze.

Per superare gli inconvenienti degli esoscheletri rigidi sono state proposte svariate progettazioni alternative. Una tuta esoscheletrica morbida non ostacola il moto delle articolazioni umane dato che tutte le interfacce e le trasmissioni delle forze di assistenza al corpo umano sono implementate attraverso meccanismi azionati tramite tendini ed elementi elastici. L'idea generale di questi dispositivi consiste nell'ubicare il sistema di azionamento prossimalmente e trasmettere la forza tramite cavi Bowden. In questo modo, il carico e l'inerzia riflessa in corrispondenza delle articolazioni supportate possono essere ridotti durante l'esecuzione di compiti fisici, aumentando al contempo la comodit? dell?utilizzatore. In ragione del loro basso peso, della struttura compatta e della bassa capacit? di consumo di potenza, hanno trovato svariate applicazioni mirate alle attivit? della vita quotidiana.

? noto nell'arte realizzare una tuta di assistenza attraverso la combinazione di tessuti attaccati al braccio umano. Il dispositivo viene azionato usando un attuatore motorizzato agonista/antagonista con un riduttore planetario ubicato in corrispondenza della parte superiore della schiena dell'uomo. ? anche noto sfruttare il principio di sottoazionamento per supportare l'articolazione del gomito di entrambe le braccia usando un singolo motore CC accoppiato con due sistemi pignone - coppia conica. I sottosistemi di frizione e freno sono usati per abilitare un controllo indipendente delle due braccia dalla singola unit? di azionamento. Questi componenti aggiuntivi e la loro integrazione hanno aumentato la complessit? del dispositivo, nonostante il fatto che solo un attuatore sia stato usato per entrambe le articolazioni del gomito. Per di pi?, dato che l'implementazione di questo dispositivo non include un elemento elastico nel sistema di azionamento/trasmissione, non pu? accumulare energia durante il movimento di flessione o estensione dell'articolazione del gomito.

Come altra opzione, vi sono esoscheletri per arti superiori basati su un azionamento pneumatico per supportare l'articolazione del gomito. Tuttavia, il serbatoio di aria che ? necessario per azionare il dispositivo limita la mobilit? dell?utilizzatore soprattutto in applicazioni industriali.

E? noto nello stato dell?arte un dispositivo in cui un motore CC ? accoppiato con una frizione, un freno e un sistema di coppia conica per supportare l'articolazione del gomito per entrambi i movimenti di flessione ed estensione. Tuttavia, il meccanismo di coppia conica provoca un contraccolpo, e ci? aumenta le incertezze del dispositivo in termini di modellazione. Pertanto, il problema di controllo e calibrazione dell'esoscheletro diventa difficile. Sebbene questo esoscheletro noto abbia la capacit? di assistere le due braccia dell?utilizzatore usando un sistema di azionamento attraverso la strategia di sotto-azionamento, il meccanismo non include un elemento elastico. A causa di questo componente mancante, la trasmissione di forza dal dispositivo di assistenza al corpo umano non pu? essere realizzata in un modo conforme. Perci?, la scorrevolezza di movimento dell?utilizzatore pu? essere inficiata negativamente.

Portata dell'invenzione

In questo contesto, lo scopo tecnico della presente invenzione consiste nel fornire un dispositivo di assistenza al movimento per l'articolazione del gomito che superi gli inconvenienti dell'arte antecedente.

Ovvero, lo scopo della presente invenzione consiste nel fornire un dispositivo di assistenza al movimento per l'articolazione del gomito in cui il meccanismo di azionamento tiene conto del profilo di coppia-angolo del gomito umano. In maggior dettaglio, lo scopo consiste nel fornire un dispositivo di assistenza al movimento di coppia, efficiente dal punto di vista energetico, conforme, comodo, che sia in grado di riprodurre il profilo caratteristico di coppia/angolo del gomito.

Lo scopo tecnico precisato e le finalit? specificate vengono sostanzialmente conseguiti mediante un dispositivo di assistenza al movimento per l'articolazione del gomito comprendente le caratteristiche tecniche descritte in una o pi? delle unite rivendicazioni.

Vantaggi dell'invenzione

Il dispositivo di assistenza al movimento per l'articolazione del gomito descritto integra un singolo motore accoppiato con una cinghia elastica e un meccanismo cammarocchetto per abilitare lo scambio di energia durante il movimento di flessione del gomito, consentendo al contempo movimenti liberi durante l'estensione dell'articolazione.

Vantaggiosamente, gli esperimenti condotti su prototipi funzionali stampati in 3D suggeriscono che la coppia di assistenza al gomito viene efficacemente trasmessa con un successo medio del 90% per equilibrare un carico utile di 5 N, e l'intervallo di movimento libero di 108? viene misurato per entrambe la flessione e l'estensione.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno pi? chiaramente dalla descrizione di una forma di realizzazione preferita di un dispositivo di assistenza al movimento per l'articolazione del gomito come illustrato negli uniti disegni in cui:

- la Figura 1 ? una vista posteriore di un utilizzatore che indossa il dispositivo di assistenza al movimento secondo la presente invenzione;

- la Figura 2 ? una vista prospettica di un dettaglio del dispositivo di assistenza al movimento di Figura 1;

- la Figura 3 ? una vista prospettica di un altro dettaglio del dispositivo di assistenza al movimento della Figura 1;

- la Figura 4 ? un'illustrazione schematica del principio di funzionamento del dispositivo di assistenza al movimento della Figura 1;

- la Figura 5 ? un'illustrazione schematica del metodo per identificare la geometria della camma in modo da corrispondere alla curva di coppia/angolo del gomito umano; - la Figura 6 ? un grafico che riporta la lunghezza della leva di camma ottenuta geometricamente e il profilo della camma desiderato;

- la Figura 7 ? un grafico che riporta il profilo di rigidit? di un esempio di tipo di cinghia elastica ad anello senza fine avente uno spessore di 5 mm e una lunghezza iniziale di 55 mm e integrato nel dispositivo di assistenza al movimento secondo la presente invenzione;

- la Figura 8 ? un grafico che riporta i risultati della coppia misurata di un esperimento con estremit? fissa compiuto sul dispositivo di assistenza al movimento secondo la presente invenzione, e la curva della coppia desiderata per equilibrare un carico di 5 N in corrispondenza del centro di massa di un avambraccio dell'utilizzatore;

- la Figura 9 ? un grafico che riporta i risultati di pretensione selezionati per calibrare il dispositivo di assistenza al movimento secondo la presente invenzione per equilibrare un carico di 5 N in corrispondenza del centro di massa di un avambraccio dell'utilizzatore;

- la Figura 10 ? un grafico che riporta la forza del cavo di trasmissione stimata di un esperimento con estremit? fissa compiuto sul dispositivo di assistenza al movimento secondo la presente invenzione, e la forza del cavo di trasmissione desiderata per equilibrare un carico di 5 N in corrispondenza del centro di massa di un avambraccio dell'utilizzatore;

- la Figura 11 ? un grafico che riporta i risultati di un esperimento con estremit? libera compiuto sul dispositivo di assistenza al movimento secondo la presente invenzione, in cui gli assi verticali destro e sinistro del grafico riportano, rispettivamente, i cambiamenti di posizione angolari e lineari.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

Con riferimento alle figure annesse, il numero 1 designa un dispositivo di assistenza al movimento 1 per l'articolazione del gomito, indossabile da un utilizzatore per la compensazione dello sforzo del gomito. Nel dettaglio, il dispositivo 1 ? un dispositivo morbido di assistenza al movimento indossabile.

Il dispositivo di assistenza al movimento 1 per l'articolazione del gomito comprende un'unit? di azionamento 20 provvista di un motore 2. Preferibilmente, il motore 2 ? un singolo motore CC.

Ancora preferibilmente, il dispositivo di assistenza al movimento 1 comprende un indumento per la parte superiore della schiena attaccabile in modo amovibile alla parte superiore della schiena del corpo dell?utilizzatore e configurato per alloggiare almeno l'unit? di azionamento 20.

Inoltre, ancora preferibilmente, il dispositivo di assistenza al movimento 1 comprende un pacco batteria alloggiato nell?indumento per la parte superiore della schiena e configurato per alimentare almeno il motore 2.

Il motore 2 e il pacco batteria non verranno descritti in maggior dettaglio dal momento che sono noti al tecnico del ramo.

In aggiunta, il dispositivo di assistenza al movimento 1 comprende almeno due indumenti per braccia 3, 4, 3', 4' attaccabili in modo amovibile a un braccio dell?utilizzatore.

Preferibilmente, gli almeno due indumenti per braccia 3, 4, 3', 4' comprendono due indumenti per braccio destro 3, 4 attaccabili al braccio destro dell?utilizzatore e due indumenti per braccio sinistro 3', 4' attaccabili al braccio sinistro dell?utilizzatore. Ancora preferibilmente, gli indumenti per braccio destro 3, 4 e gli indumenti per braccio sinistro 3', 4' sono ciascuno realizzati come un bracciale indossabile dall'utilizzatore.

Pi? preferibilmente, uno degli indumenti per braccio destro 3, 4 e uno degli indumenti per braccio sinistro 3', 4' sono indossabili ciascuno a monte del rispettivo gomito, mentre l'altro degli indumenti per braccio destro 3, 4 e l'altro degli indumenti per braccio sinistro 3', 4' sono indossabili ciascuno a valle del rispettivo gomito. In altre parole, durante l'uso del dispositivo di assistenza al movimento 1 da parte di un utilizzatore, il gomito destro dell'utilizzatore rimane interposto tra gli indumenti per braccio destro 3, 4 e il gomito sinistro dell'utilizzatore rimane interposto tra gli indumenti per braccio sinistro 3', 4'.

Inoltre, il dispositivo di assistenza al movimento 1 comprende almeno un cavo di trasmissione 5, 5'. Come sar? spiegato meglio nel seguito, l'almeno un cavo di trasmissione 5, 5' ? configurato per trasferire l'azione di azionamento del motore 2 agli almeno due indumenti per braccio 3, 4, 3', 4' per assistere il movimento di almeno un gomito dell'utilizzatore.

Preferibilmente, l'almeno un cavo di trasmissione 5, 5' comprende un cavo di trasmissione destro 5 e un cavo di trasmissione sinistro 5'. Il cavo di trasmissione destro 5 ? configurato per trasferire l'azione di azionamento del motore 2 agli indumenti per braccio destro 3, 4 per assistere il movimento del gomito destro dell'utilizzatore, mentre il cavo di trasmissione sinistro 5' ? configurato per trasferire l'azione di azionamento del motore 2 agli indumenti per braccio sinistro 3', 4' per assistere il movimento del gomito sinistro dell'utilizzatore.

In accordo ancora con una caratteristica preferita, l'almeno un cavo di trasmissione 5, 5' ? un cavo Bowden. Pi? preferibilmente, sia il cavo di trasmissione destro 5 sia il cavo di trasmissione sinistro 5' sono ciascuno un cavo Bowden.

In accordo, l'unit? di azionamento 20 comprende almeno un elemento elastico 6 accoppiato con il motore 2 e configurato per generare, sotto tensione, una forza elastica. Preferibilmente, l'unit? di azionamento 20 comprende un elemento elastico 6 per ciascun braccio dell'utilizzatore.

Preferibilmente, l'almeno un elemento elastico 6 ? una cinghia elastica. Pi? preferibilmente, l'almeno un elemento elastico 6 ? un tipo di cinghia elastica ad anello senza fine con uno spessore di diametro di 5 mm e una lunghezza iniziale di 55 mm. Ancora preferibilmente, ciascun elemento elastico 6 ? una cinghia elastica.

Secondo una caratteristica preferita, l'unit? di azionamento 20 comprende almeno un meccanismo di supporto. Preferibilmente, l'unit? di azionamento 20 comprende un meccanismo di supporto per ciascun braccio dell'utilizzatore.

Ancora preferibilmente, ciascun meccanismo di supporto comprende una piastra 17 provvista di due supporti 18. Ciascun elemento elastico 6 ? montato su due rispettivi supporti 18. Ancora preferibilmente, il motore 2 ? accoppiato con ciascuna piastra 17 con un meccanismo di vite a ricircolo di sfere per muovere detta piastra 17 linearmente.

Occorre notare che quando ciascuna piastra 17 viene mossa linearmente dal motore 2 il rispettivo elemento elastico 6 viene allungato, ossia il rispettivo elemento elastico 6 genera una forza elastica. Occorre anche notare che la forza elastica generata da ciascun elemento elastico 6 ? configurata per assistere il movimento di un rispettivo gomito dell'utilizzatore.

In accordo, l'almeno un cavo di trasmissione 5, 5' collega l'almeno un elemento elastico 6 agli almeno due indumenti per braccia 3, 4, 3', 4' per applicare la coppia di assistenza al braccio dell?utilizzatore. Preferibilmente, il cavo di trasmissione destro 5 collega un rispettivo elemento elastico 6 agli indumenti per braccio destro 3, 4, mentre il cavo di trasmissione sinistro 5' collega un rispettivo elemento elastico 6 agli indumenti per braccio sinistro 3', 4'.

In aggiunta, l'unit? di azionamento 20 comprende almeno un meccanismo camma-rocchetto 7, 7' configurato per allungare l'almeno un elemento elastico 6 in funzione del profilo di coppia/angolo del gomito umano. Come verr? spiegato meglio qui di seguito, la forza elastica generata da un rispettivo elemento elastico 6 viene trasferita a un rispettivo meccanismo camma-rocchetto 7, 7' come una forza elastica in ingresso.

Preferibilmente, l'unit? di azionamento 20 comprende due meccanismi cammarocchetto 7, 7', uno per ciascun braccio dell'utilizzatore.

Occorre notare che ciascun meccanismo camma-rocchetto 7, 7' ? configurato per allungare un rispettivo elemento elastico 6 in funzione di un rispettivo profilo di coppia/angolo del gomito umano.

In aggiunta, ciascun meccanismo camma-rocchetto 7, 7' comprende una camma fissa 8 con albero a camme girevole 9 per muovere un rispettivo cavo di trasmissione 5, 5' attorno alla camma fissa 8. Ciascun cavo di trasmissione 5, 5' viene incanalato in una rispettiva prima guida 81 della camma 8. Ovvero, ciascun elemento elastico 6 ? collegato a un rispettivo albero a camme 9 mediante un rispettivo cavo di trasmissione 5, 5'.

In aggiunta, ciascun meccanismo camma-rocchetto 7, 7' comprende un rullo 10 e un rocchetto 11 provvisto di una fessura 12. Il rocchetto 11 ? accoppiato con l'albero a camme 9 attraverso il rullo 10 che pu? scorrere all'interno della fessura 12. Il rullo 10 ? configurato per variare la forza elastica in ingresso.

Ciascun cavo di trasmissione 5, 5' si muove attorno a una rispettiva camma fissa 8 tramite un rispettivo rullo 10.

Ciascun cavo di trasmissione 5, 5' viene anche incanalato in una rispettiva seconda guida 111 del rocchetto 11.

Occorre notare che, a partire da un rispettivo elemento elastico 6, ciascun cavo di trasmissione 5, 5' viene in primo luogo incanalato in una rispettiva camma fissa 8 attraverso un rispettivo albero a camme 9 e successivamente ciascun cavo di trasmissione 5, 5' viene incanalato in un rispettivo rocchetto 11 per raggiungere infine i rispettivi due indumenti per braccia 3, 4, 3', 4'.

Occorre anche notare che, in ciascun meccanismo camma-rocchetto 7, 7' l'asse di rotazione dell'albero a camme 9 ? disaccoppiato e disassato dall'asse di rotazione del rocchetto 11. In altre parole, l'asse di rotazione dell'albero a camme 9 ? distinto, parallelo e disallineato rispetto all'asse di rotazione del rocchetto 11.

Secondo una caratteristica preferita, ciascun meccanismo camma-rocchetto 7, 7' comprende un albero eccentrico 15 operativamente accoppiato con il rispettivo rocchetto 11 e il rispettivo albero a camme 9 . Poich? l'asse di rotazione dell'albero eccentrico 15 ? parallelo all'asse di rotazione dell'albero a camme 9, anche il rocchetto 11 esegue la sua rotazione parallelamente all'asse di rotazione dell'albero a camme 9. Occorre notare che, l'incorporazione dell'albero eccentrico 15 consegue un assestamento affidabile per il rocchetto 11. Infatti, in ragione della geometria dell'albero eccentrico 15, l'intervallo di funzionamento dell'albero a camme 9 aumenta, poich? il rullo 10 pu? avvicinarsi al centro di rotazione del rocchetto 11 per piccoli gradi.

Ancora secondo una caratteristica preferita, ciascun meccanismo cammarocchetto 7, 7' comprende una flangia 16 per allineare il rispettivo rocchetto 11 e il rispettivo albero eccentrico 15 sullo stesso asse.

Secondo una caratteristica preferita, l'unit? di azionamento 20 comprende un'unit? di controllo per azionare il motore 2. Detta unit? di controllo ? in comunicazione di segnale con un dispositivo esterno. L'unit? di controllo ? configurata per avviare il motore 2 in modo che il motore 2 possa generare l'azione di azionamento dopo la ricezione di un segnale di comando da parte del dispositivo esterno.

Occorre notare che per progettare il dispositivo di assistenza al movimento 1, ? stato calcolato in primo luogo l?andamento della coppia desiderata dell'articolazione del gomito per equilibrare un carico a mano. Pi? in dettaglio, una cinghia elastica ? stata selezionata come elemento elastico 6, per fornire un'interazione intrinsecamente morbida tra il dispositivo di assistenza al movimento 1 e il gomito, e per formare un filtro meccanico contro incertezze dinamiche. Questa scelta ? dovuta allo smorzamento intrinseco e alla densit? di accumulo di energia elevata dovuta a una possibilit? di allungamento maggiore. Per adattare il profilo di forza a forma di S della cinghia elastica al profilo di coppia desiderato del gomito umano, che ha forma sinusoidale, ? stato progettato il meccanismo camma-rocchetto 7, 7' descritto sopra.

Con particolare riferimento alla Figura 4, il dispositivo di assistenza al movimento 1 ? stato in primo luogo progettato stimando la coppia di gomito richiesta attorno al centro di rotazione del gomito dell'utilizzatore. Ipotizzando che un dato carico utile sia trattenuto in corrispondenza di un centro di massa dell'avambraccio dell'utilizzatore, la coppia di gomito richiesta per supportare il carico utile ? data da:

in cui:

? ? la coppia di gomito richiesta;

WL ? il carico utile;

? ? l'angolo del gomito;

d ? la lunghezza dell'avambraccio dell'utilizzatore.

Di conseguenza, la forza desiderata sul cavo di trasmissione 5, 5' per applicare la coppia calcolata sopra pu? essere calcolata come segue:

In cui:

Fd ? la forza desiderata sul cavo di trasmissione 5, 5';

? ? la coppia di gomito calcolata;

L ? la lunghezza rappresentata nella Figura 4;

e ? ? calcolato come segue:

in cui:

? ? l'angolo rappresentato nella Figura 4;

? ? l'angolo del gomito.

Occorre notare che il valore massimo per l'angolo del gomito ? stato impostato a 116?. Dato detto valore, la lunghezza del cavo di trasmissione 5, 5' necessaria per i movimenti di flessione ed estensione ? stata stimata approssimativamente come 178 mm usando la seguente formula:

In cui:

a ? la larghezza dell'avambraccio;

b ? la distanza tra il punto di posizionamento degli indumenti per braccio 3, 4, 3', 4' sul braccio dell'utilizzatore e il centro di rotazione del gomito dell'utilizzatore;

? ? l'angolo rappresentato nella Figura 4.

Occorre notare che la lunghezza del cavo di trasmissione 5, 5' ? stata stimata considerando la larghezza dell'avambraccio pari a 50 mm, la distanza tra il punto di posizionamento degli indumenti per braccia 3, 4, 3', 4' sul braccio dell'utilizzatore e il centro di rotazione del gomito dell'utilizzatore pari a 100 mm e la lunghezza dell'avambraccio pari a 150 mm.

Occorre anche notare che la progettazione del meccanismo camma-rocchetto 7, 7' considera due obiettivi. Innanzitutto, il meccanismo camma-rocchetto 7, 7' permetter? di avvolgere/rilasciare un cavo di trasmissione 5, 5' di lunghezza di 178 mm durante il movimento di flessione/estensione. Quindi, il meccanismo camma-rocchetto 7, 7' deve fornire una lunghezza h della leva di camma variabile che conforma il profilo di coppia/angolo generato dal dispositivo di assistenza al movimento 1 a quello del gomito umano.

Con particolare riferimento alla Figura 5, si suppone che la camma 8 e il gomito dell'utilizzatore eseguano angoli equivalenti, ossia l'angolo del gomito indicato come

In questa progettazione di prova di concetto, la curva ? sin? viene tracciata per il

valore dell'angolo del gomito pari a 116? e ipotizzando che R sia pari a 40 mm per ottenere il profilo della camma 8, come visibile nella Figura 5. Questo grafico ? diviso in quattro segmenti uguali di angolo ? per spiegare la derivazione geometrica della camma 8, e l'asse ? di ciascun segmento ? mostra il raggio della camma 8 che ? destinato a essere abbinato alla curva sinusoidale. I cerchi, i cui raggi variano di ? sin

sono tracciati per ciascun segmento di angolo ? rispetto al centro, indicato come

nella Figura 5. Le intersezioni di cerchi e linee divise danno il punto della curva della camma 8, che ? un cerchio (avente un centro indicato come nella Figura 5) che ? mostrato con punti neri nella Figura 5. Sono illustrati sei punti e due raggi (indicati rispettivamente come 1 e 2? nella Figura 5).

La lunghezza h della leva di camma ottenuta geometricamente e il profilo della camma 8 desiderato sono riportati nella Figura 6.

Per unire la curva della camma 8 con il braccio umano e la cinghia elastica, ? stato implementato il meccanismo camma-rocchetto 7, 7' avente l'asse di rotazione della camma 8 e il rocchetto 11 separati. Come descritto sopra, la camma 8 ? fissa, mentre il cavo di trasmissione 5, 5' ruota attorno a essa tramite il rullo 10, che ? alloggiato nella fessura 12 aperta nel rocchetto 11. Ossia, il cavo di trasmissione 5, 5' viene mosso attorno alla curva della camma 8 attraverso l'albero a camme 9.

Occorre notare che l'asse di rotazione dell'albero a camme 9 e l'asse di rotazione del rocchetto 11 sono disaccoppiati al fine di permettere di abbinare l'angolo del gomito umano con la corrispondente lunghezza h della leva di camma. In questo modo, la rotazione del rocchetto 11 ? in rapporto 1:1 rispetto all'angolo del gomito mentre l'albero a camme 9 ruota il doppio del rocchetto 11. Come risultato di questo coordinamento, la lunghezza h della leva di camma desiderata pu? essere ottenuta senza aggiungere una trasmissione di cavo supplementare al dispositivo di assistenza al movimento 1.

Occorre anche notare che il dispositivo di assistenza al movimento proposto 1 abilita le due funzionalit? seguenti. In condizioni di assenza di carico utile quando l'articolazione del gomito deve muoversi senza alcun vincolo il rullo 10 esegue un movimento lineare nella fessura 12, adattandosi alla rotazione del gomito e variando la lunghezza h della leva di camma in modo continuo attorno all'asse di rotazione del rocchetto 11. In questo caso, la cinghia elastica viene messa in tensione solo per evitare il rilassamento sul cavo di trasmissione 5, 5' (per conseguire una trasparenza elevata).

Contestualmente, occorre anche notare che, quando ? necessaria l'assistenza, l'essere umano pu? prendere il carico con un braccio quasi completamente esteso. Questa condizione richiede una forza elastica superiore generata dal dispositivo di assistenza al movimento 1 per contrastare il carico. Quando l'essere umano flette il gomito, l'angolo del gomito e la lunghezza h della leva di camma aumentano (come si pu? vedere nella Figura 6), il che determina l'applicazione di una minore pretensione sull'elemento elastico 6. In altre parole, la forza elastica inizialmente accumulata pu? essere regolata meccanicamente in funzione della lunghezza h della leva di camma durante il movimento di flessione. Questo ? infatti uno dei motivi significativi per cui il meccanismo camma-rocchetto 7, 7' ? integrato nel dispositivo di assistenza al movimento 1.

Per calcolare il raggio del rocchetto 11 e la corsa della vite a ricircolo di sfere, il diametro dell'albero a camme 9 ? stato impostato pari a 40 mm, mentre l'angolo di gomito massimo ? stato considerato pari a 116?. Usando questi parametri, il raggio del rocchetto 11 ? stato calcolato com e segue:

In cui:

? il raggio del rocchetto 11;

lf ? la lunghezza del cavo di trasmissione 5, 5' per i movimenti di flessione ed estensione;

? l'angolo massimo del gomito.

In aggiunta, la lunghezza del cavo di trasmissione 5, 5' avvolto attorno all'albero a camme 9 viene calcolata per determinare la corsa necessaria nella trasmissione della vite a ricircolo di sfere dell'unit? di azionamento 20. Come esaminato prima, l'angolo di rotazione dell'albero a camme 9 ? il doppio dell'angolo di rotazione del rocchetto 11.

Inoltre, secondo la derivazione geometrica della curva della camma 8, il raggio della camma 8 ? equivalente a met? del diametro dell'albero a camme 9. Pertanto, la corsa della vite a ricircolo di sfere ? calcolata come segue:

In cui:

S ? la corsa della vite a ricircolo di sfere;

? ? l'angolo massimo del gomito;

R ? il diametro dell'albero a camme 9.

Considerando una tolleranza aggiuntiva di 20 mm per l'allungamento della cinghia elastica, la corsa della vite a ricircolo di sfere ? selezionata come pari a 100 mm.

Occorre notare che, usando il dispositivo di assistenza al movimento 1 descritto, a un utilizzatore viene consentito di eseguire movimenti di pronazione e supinazione.

Occorre anche notare che, l'elemento elastico 6 integrato nel dispositivo di assistenza al movimento 1 fornisce un'interazione intrinsecamente morbida tra l'unit? di azionamento 20 del dispositivo di assistenza al movimento 1 e l'arto del corpo umano, dove l'uscita di azionamento ? applicata, e forma un filtro meccanico contro incertezze dinamiche, assorbendo movimenti improvvisi o possibili problemi di controllo, proteggendo sia l?azionamento del dispositivo di assistenza al movimento 1 sia il soggetto umano dall'avvertire tali transienti di forza dinamica. Per di pi?, l'elemento elastico 6 abilita l'accumulo e il riciclaggio di energia, il che porta alla riduzione del consumo di energia.

Come gi? descritto, l'elemento elastico 6 ? preferibilmente un elemento elastico di tipo in gomma sotto forma di una corda a cinghia elastica. Questa scelta di selezione ? stata guidata da un certo numero di caratteristiche di prestazioni di questo tipo di elemento elastico, inclusi il suo cospicuo allungamento, la caratteristica di smorzamento intrinseco, la propriet? di leggerezza e la bassa sensibilit? nel disallineamento meccanico. Vantaggiosamente, questo tipo di elemento elastico permette anche una variet? di configurazioni come la forma a U.

Ancora vantaggiosamente, come gi? descritto, un vincolo meccanico, che porta a limitare l'intervallo di movimento dell'articolazione del gomito, ? stato rilevato nello stadio di progettazione del meccanismo camma-rocchetto 7, 7'. Grazie all'albero eccentrico sviluppato 15, l'intervallo di funzionamento dell'articolazione del gomito ? ottimizzato per essere tra 9? e 116?, il che ? appropriato per compiti di manipolazione in applicazioni industriali.

Nella sezione seguente saranno descritti due esperimenti compiuti sul dispositivo di movimento 1.

ESPERIMENTI DI CONVALIDA

Sono stati compiuti due esperimenti in condizioni di estremit? fissa ed estremit? libera per convalidare la funzionalit? del dispositivo di assistenza al movimento 1 descritto.

Nell'esperimento con estremit? fissa, un primo prototipo di un gomito dell?utilizzatore viene fabbricato considerando le dimensioni dell'avambraccio umano e l'ubicazione degli indumenti per braccia 3, 4, 3', 4' sul braccio dell'utilizzatore. Detto primo prototipo ? realizzato in plastica e svariati fori sono praticati su questo primo prototipo con risoluzione di 15? per misurare la variazione della coppia in sette angoli di test.

Nell'esperimento con estremit? libera, un secondo prototipo in plastica di un gomito dell?utilizzatore ? fabbricato in modo analogo al primo prototipo. In detto esperimento con estremit? libera, un primo codificatore ? attaccato al secondo prototipo, mentre un secondo codificatore ? accoppiato con la flangia 16 per confrontare se il rocchetto 11 e il secondo prototipo conseguono le stesse rotazioni.

Nell'esperimento con estremit? fissa, il primo prototipo ? accoppiato in modo rigido con un sensore F/T (ATI-Mini 45, SI 145-5), e sono entrambi fissati a un tavolo attraverso un apparecchio. Perni e viti centrali sono usati per impegnare il primo prototipo e il sensore F/T in modo che la forza di assistenza applicata possa essere misurata in diversi angoli di test. Nell'esperimento con estremit? libera, il secondo prototipo ? libero di ruotare, e la finalit? consiste nel misurare l'intervallo di movimento del dispositivo di assistenza al movimento 1.

Per controllare il dispositivo di assistenza al movimento 1 vengono usati un motore e una scheda di acquisizione dati comunicanti attraverso EtherCAT a 1 kHz. Un regolatore PID viene usato attraverso l'interfaccia MATLAB/Simulink Real-Time? per azionare il motore 2 in unit? di alimentazione. L'errore di posizione lineare risultante sul meccanismo di vite a ricircolo di sfere ? stato rilevato tra ?0.15 mm. In aggiunta, una coppia di spinta di 0.5 ? 0.1 Nm viene mantenuta con l'ausilio del dispositivo di assistenza al movimento 1 nell'esperimento con estremit? fissa per evitare il rilassamento sul cavo di trasmissione 5, 5' e compensare eventuali giochi nel gruppo.

Esperimento con estremit? fissa

Il profilo di forza della cinghia elastica viene valutato mettendo in tensione la cinghia elastica tra 0 ? 10 mm (incremento di posizione di 0.5 mm) in ciascun angolo di test del gomito predeterminato (15 ? 105?) e misurando la coppia risultante attorno al centro di rotazione del primo prototipo di un gomito dell'utilizzatore.

Questi dati sono usati per stimare la forza desiderata sul cavo di trasmissione 5, 5' e i profili di detta forza sono riportati nella FIGURA 7. Per di pi?, i valori medi di tali forze stimate sono calcolati per ciascun valore di pretensione, e la forma risultante ? dimostrata come ?media? nella stessa figura. Infine, la stessa cinghia elastica ? allungata (pretensioni simili al primo prototipo) usando un'altra macchina di tensione. Il profilo di forza misurato ? riportato come ?desiderato? nella FIGURA 7.

Secondo i risultati mostrati nella Figura 7, i profili di forza s'innalzano lentamente all'inizio, quindi l?andamento aumenta rapidamente fino a un allungamento del 4%, mentre per allungamenti pi? cospicui la pendenza dell'incremento si riduce. ? ovvio che le differenze nelle forme di forza tra gli angoli di test non sono significativi, il che indica che l'assemblaggio dei componenti, dei collegamenti del cavo di trasmissione 5, 5' e la stima di forza vengono conseguiti con errore minimo. Vi ? anche uno spostamento quasi costante tra curve di forza desiderate e medie nella maggior parte degli interi punti di pretensione. Questo deriva dalle incertezze delle parti in plastica, come stiramento, errori di fabbricazione, nonch? l'attrito nel cavo di trasmissione 5, 5'.

Successivamente, il dispositivo di assistenza al movimento 1 viene testato per dimostrare la resistenza del meccanismo camma-rocchetto 7, 7'. Per implementare ci?, prima, il profilo di coppia desiderato, che dovrebbe essere erogato dal dispositivo di supporto 1, viene calcolato considerando un carico utile di 5 N. Il primo prototipo di un gomito dell?utilizzatore viene quindi configurato e fissato meccanicamente in tutti i punti di test (15?-105?) uno per uno, e il rocchetto 11 viene ruotato attraverso il motore 2 nella stessa posizione del primo prototipo. Successivamente, la cinghia elastica viene messa in tensione a partire da 1-10 mm (incremento di posizione di 1 mm) con l'ausilio del motore 2 in ciascun angolo di test. Ogni pretensione viene ripetuta tre volte (deviazione standard ? 0.1 ? 0.0006). Infine, i valori medi di tali dati vengono estratti dalla coppia di spinta, e sono rappresentati graficamente nel grafico riportato nella Figura 8.

Come si pu? vedere dal grafico riportato nella Figura 8, vi ? un incremento non lineare quando l'angolo del gomito aumenta, il che ? un risultato previsto sulla base dell?andamento della lunghezza della leva di camma. Tuttavia, vi sono fluttuazioni per la curva di allungamento di 1 mm. Il motivo ? che poich? la forza trasmessa per tale pretensione ? inferiore rispetto ad altre, i piccoli rilassamenti sul cavo di trasmissione 5, 5', il gioco tra i componenti assemblati e gli attriti non potrebbero essere precisamente compensati.

Per di pi?, secondo l?andamento della lunghezza h della leva di camma (come riportato nella Figura 6) si prevede che si osserver? una lieve riduzione sui risultati della coppia tra 90? e 105? (come si pu? vedere nel grafico segnalato nella Figura 8). Il motivo per cui questo comportamento potrebbe non essere rilevato ? che la differenza della lunghezza h della leva di camma tra questi due angoli di test ? molto bassa, e sette punti di test non sono adeguati a convalidare completamente la coppia in uscita del dispositivo di assistenza al movimento 1. In particolare, come si pu? vedere nel grafico riportato nella Figura 8, il rapporto di incremento degli andamenti della coppia tra allungamenti di 1 ? 4 mm ? significativamente superiore rispetto a quello delle altre pretensioni. Il summenzionato rapporto di incremento ? direttamente correlato alla curva di rigidit? della cinghia elastica, che segue un aumento rapido fino a un allungamento di 4 mm, e quindi la pendenza della risposta di forza si riduce (come si pu? vedere nel grafico riportato nella Figura 7).

Nella fase finale sono selezionati i valori della coppia pi? vicini a quelli desiderati, e i corrispondenti valori di pretensione sono definiti come ?pretensioni selezionate? per la calibrazione del profilo della coppia desiderato. Queste pretensioni selezionate sono applicate al primo prototipo di un gomito dell?utilizzatore in tutti gli angoli di test. L?andamento dei risultati ? rappresentato nel grafico riportato nella Figura 9.

Inoltre si osserva che vi ? uno spostamento di posizione angolare (?4?) tra il rocchetto 11 e il gomito, derivante dalla difficolt? di inizializzazione precisa della posizione del primo prototipo di un gomito dell?utilizzatore e del rocchetto 11. Inoltre, come esaminato prima, quando l'angolo del gomito aumenta, si suppone che anche la lunghezza h della leva di camma si innalzi, determinando una forza elastica inferiore. Questo comportamento viene chiaramente osservato poich? i valori di pretensione selezionati sono significativamente superiori per 15? rispetto a 105?.

Infine, il grafico nella Figura 10 mostra la forza desiderata sul cavo di trasmissione 5, 5', che viene calcolato usando i valori di coppia misurati.

Esperimento con estremit? libera

Nell'esperimento con estremit? libera, un carico di 0.5 kg ? montato sul secondo prototipo di un gomito dell?utilizzatore, e il motore 2 ? azionato per conseguire la corsa di vite a ricircolo di sfere selezionata per il movimento di flessione ed estensione. Si pu? vedere nel grafico riportato nella Figura 11 che la differenza di posizione tra il rocchetto 11 e il gomito ? molto bassa (RMS = 6,14?), il che convalida il concetto di progettazione proposto. In aggiunta, i dati di posizione angolare misurati verificano l'intervallo di funzionamento cinematico ricercato del gomito, che varia tra 9 e 116? (108?).

Claims (11)

RIVENDICAZIONI

1. Dispositivo di assistenza al movimento (1) per l'articolazione del gomito, comprendente:

- un'unit? di azionamento (20) provvista di un motore (2);

- almeno due indumenti per braccia (3, 4, 3', 4') attaccabili in modo amovibile a un braccio dell?utilizzatore;

- almeno un cavo di trasmissione (5, 5');

caratterizzato dal fatto che l'unit? di azionamento (20) comprende:

- almeno un elemento elastico (6) accoppiato con il motore (2) e configurato per generare, sotto tensione, una forza elastica, l'almeno un cavo di trasmissione (5, 5') collegando l'almeno un elemento elastico (6) agli almeno due indumenti per braccia (3, 4, 3', 4') per applicare la coppia di assistenza al braccio dell?utilizzatore;

- almeno un meccanismo camma-rocchetto (7, 7') configurato per allungare l'almeno un elemento elastico (6) in funzione del profilo di coppia/angolo del gomito umano, e dal fatto che ciascun meccanismo camma-rocchetto (7, 7') comprende:

- una camma fissa (8) con albero a camme girevole (9) per spostare un rispettivo cavo di trasmissione (5, 5') attorno alla camma fissa (8);

- un rullo (10) e un rocchetto (11) provvisto di una fessura (12), il rocchetto (11) essendo accoppiato all'albero a camme (9) attraverso un rullo (10) che pu? scorrere all'interno della fessura (12);

in cui l'asse di rotazione dell'albero a camme (9) ? disaccoppiato e disassato dall'asse di rotazione del rocchetto (11).

2. Dispositivo di assistenza al movimento (1) secondo la rivendicazione 1, comprendente un indumento per la parte superiore della schiena attaccabile in modo amovibile alla parte superiore della schiena del corpo dell?utilizzatore e configurata per alloggiare almeno l'unit? di azionamento (20).

3. Dispositivo di assistenza al movimento (1) secondo la rivendicazione 2, comprendente un pacco batteria alloggiato nell?indumento per la parte superiore della schiena e configurato per alimentare almeno il motore (2).

4. Dispositivo di assistenza al movimento (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui gli almeno due indumenti per braccia (3, 4, 3', 4') comprendono due indumenti per braccio destro (3, 4) attaccabili al braccio destro dell?utilizzatore e due indumenti per braccio sinistro (3', 4') attaccabili al braccio sinistro dell?utilizzatore.

5. Dispositivo di assistenza al movimento (1) secondo la rivendicazione 4, in cui il motore (2) ? un singolo motore CC.

6. Dispositivo di assistenza al movimento (1) secondo la rivendicazione 5, in cui l'unit? di azionamento (20) comprende due meccanismi camma-rocchetto(7, 7'), uno per ciascun braccio dell'utilizzatore.

7. Dispositivo di assistenza al movimento (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'almeno un elemento elastico (6) ? una cinghia elastica.

8. Dispositivo di assistenza al movimento (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'almeno un cavo di trasmissione (5, 5') ? un cavo Bowden.

9. Dispositivo di assistenza al movimento (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'unit? di azionamento (20) comprende un'unit? di controllo per azionare il motore (2).

10. Dispositivo di assistenza al movimento (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascun meccanismo camma-rocchetto (7, 7') comprende un albero eccentrico (15) operativamente accoppiato al rispettivo rocchetto (1) e al rispettivo albero a camme (9).

11. Dispositivo di assistenza al movimento (1) secondo la rivendicazione 11, in cui ciascun meccanismo camma-rocchetto (7, 7') comprende una flangia (16) per allineare il rispettivo rocchetto (11) e il rispettivo albero eccentrico (15) sullo stesso asse.