IT202100027836A1 - Protesi anatomica con meccanismo di azionamento indipendente delle dita - Google Patents

Description

Descrizione di brevetto per invenzione industriale dal titolo:

?Protesi anatomica con meccanismo di azionamento indipendente delle dita?

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce sotto un profilo generale alle protesi anatomiche di arti, in particolare ma non esclusivamente arti superiori cio? le mani.

Prima di proseguire, conviene segnalare che sebbene nel seguito di questa descrizione e nelle successive rivendicazioni si far? riferimento principalmente alle protesi delle mani, quanto verr? esposto potr? essere esteso ad altre tipologie di protesi e/o dispositivi robotici attivi mediante meccanismi di trasmissione differenziali a cavi.

Come ? noto, per l?assistenza alle persone che hanno subito gravi amputazioni ad una mano (ma si potrebbe dire allo stesso modo di un piede), sono state sviluppate in tempi abbastanza recenti delle protesi anatomiche che sono in grado di riprodurre non solo la forma dell?arto amputato, ma anche alcune sue funzioni.

? questo, per esempio, il caso di afferrare oggetti oppure di esercitare sforzi di trazione o di pressione e compiere altre azioni, che per le persone normali possono sembrare semplici e scontate ma che per un arto artificiale richiedono invece una grande complessit? di struttura e di funzionamento.

Infatti, queste protesi presentano un numero elevato di componenti meccanici miniaturizzati, che richiedono un complesso sistema di controllo per riprodurre i movimenti conformi a quelli di un arto normale.

In alcuni casi questi movimenti sono comandati dalla persona con gesti o contrazioni muscolari che richiedono una interfaccia tra la protesi ed il sistema muscolare o nervoso, con dei sensori opportuni (es. elettrodi, ottici, ecc.) posizionati sul corpo.

Sviluppare un braccio artificiale con funzioni equivalenti a quelle del braccio umano ? uno obiettivo generale della bioingegneria.

Le protesi allo stato dell'arte mancano di alcuni gradi di libert? e costringono gli individui a compensarli per mezzo di movimenti compensatori, che spesso provocano dolore all'arto residuo e sindromi da uso eccessivo.

La mano protesica o mioelettrica viene applicata sul braccio o comunque alla parte rimanente di esso, per potenziarne o assistere le prestazioni, ad esempio in termini di forza e/o velocit? dei movimenti.

A tal fine essa viene fissata in alcuni punti prefissati, soprattutto in corrispondenza della articolazione del braccio (il gomito), ed ? azionata da dispositivi passivi (ad esempio molle, tiranti elastici ecc.) e/o dispositivi attivi (ad esempio attuatori elettrici, pneumatici ecc.) i quali, anche tramite eventuali sistemi di trasmissione meccanici (che possono comprendere ad esempio rotismi, pulegge, cavi, cinghie ecc.) operano il movimento di una parte della mano protesica, come di alcune dita oppure del polso, ed il trasferimento di forze e coppie tra le parti come nel caso delle dita opponibili, e tra esse ed il corpo.

Nei arti protesici noti, i sistemi di attuazione applicano forze ai vari segmenti dell?arto in modo possibilmente conforme ai movimenti anatomici, sfruttando le propriet? di componenti elastici o viscoelastici.

Ci? allo scopo di trasmettere una forza alla protesi e alle sue parti che sia il pi? possibile graduale e anatomicamente conforme all?arto vero, per evitare accelerazioni brusche o contatti duri con il sistema di azionamento; in altri termini, ? un po? quello che succede in campo automobilistico, dove la coppia motrice fornita dal motore deve essere trasmessa alle ruote in maniera graduale e non brusca, per evitare sollecitazioni e malfunzionamenti.

La presente invenzione appartiene alla categoria dei dispositivi protesici attivi, la cui principale funzione ? quella di assistere lo sforzo fisico dell?utente durante lo svolgimento di attivit? quali il sollevamento e la manipolazione di oggetti.

Per quanto riguarda le mani protesiche o mioelettriche qui considerate, esse sono costituite essenzialmente da una parte o base di ancoraggio sul braccio amputato, un corpo principale collegato in maniera articolata alla base tramite un giunto o polso ruotabile rispetto alla base di ancoraggio, e da una o pi? dita incernierate al corpo.

Ciascun dito ? composto da una serie di falangi reciprocamente incernierate.

Le mani protesiche possono prevedere inoltre un attuatore elettrico per la movimentazione di ognuno dei gradi di libert? della mano, ed una unit? di controllo degli attuatori.

L?uso di un attuatore per ogni grado di libert? della mano rende quest?ultima inevitabilmente complessa, pesante ed ingombrante; pertanto, in passato sono state ideate mani sotto attuate, vale a dire dotate di un numero di attuatori inferiore ai gradi di libert? della mano.

Un esempio di questo tipo di mano ? descritto nella domanda di brevetto internazionale WO 2019/215577 (corrispondente al brevetto italiano IT 102018000005213) di cui sono titolari i medesimi richiedenti della presente domanda.

La protesi cui si riferisce questo documento prevede un sistema di azionamento delle dita della mano in maniera indipendente, vale a dire un azionamento che opera su alcune dita separatamente da altre.

In particolare, come spiegato nel documento anteriore citato, la mano protesica nota comprende un corpo di base ruotabile rispetto ad un?articolazione del polso di ancoraggio, e da una o pi? dita incernierate al corpo principale; ciascun dito ? composto da una serie di falangi reciprocamente incernierate.

Il corpo base identifica il palmo della mano protesica sotto attuata a cui sono incernierate le dita a coppie, una prima coppia indice-medio, una seconda coppia anulare-mignolo.

In aggiunta, la mano mioelettrica nota ? dotata di un dito supplementare con funzione di pollice, atto a lavorare in opposizione agli altri per la presa degli oggetti.

Le falangi di ciascun dito sono articolate tra loro ed al loro interno si sviluppa un cavo flessibile che, estendendosi dalla punta alla base, consente la flessione e l?estensione del dito, in seguito al tensionamento o allentamento del cavo per mezzo di un sistema di pulegge e rinvii comandato da un attuatore.

In estrema sintesi, nella soluzione descritta nel documento WO 2019/215577 il sistema di azionamento prevede un cavo primario che viene avvolto e svolto dall?attuatore, in contrasto all?azione elastica di molle di richiamo.

In seguito alle variazioni di lunghezza per l?avvolgimento e svolgimento del cavo primario, si ottiene il tensionamento o allentamento dei cavi secondari che determinano la flessione o l?estensione delle dita ad essi collegate.

A tal fine, il meccanismo di azionamento comprende dei cursori o slitte mobili lungo guide estese in senso longitudinale alla mano, sui quali sono disposte pulegge di rinvio del cavo primario e di ciascuno dei cavi secondari da muovere.

Questa mano mioelettrica nota ha il vantaggio di riuscire con un unico attuatore a comandare il movimento di due coppie di dita anteriori (indice-medio e anulare-mignolo) e del dito laterale opponibile (pollice), risultando pertanto sotto attuata cio? richiedendo meno attuatori rispetto ai gradi di libert? realmente mobilitati. Tuttavia, esistono dispositivi protesici in grado di muovere indipendentemente ogni singolo dito con un motore dedicato.

Questo tipo di mani, ed il relativo sistema di attuazione, offre quindi una presa che pu? essere anche di tipo tri-digitale, diversamente da quelle sotto-attuate, in cui la presa tri-digitale viene realizzata mediante opportuni rotismi e non pu? essere modificata limitando quindi la funzionalit? dell?arto protesico ad una sola tipologia di presa,

Alla luce di questi risultati positivi, le odierne richiedenti hanno sentito l?esigenza di migliorare le prestazioni della mano protesica elettromiografica di WO 2019/215577.

In particolare, l?attenzione si ? incentrata sul fatto che sarebbe opportuno aumentare la funzionalit? dell?arto protesico cos? da avere la possibilit? di azionare le dita della protesi in maniera indipendente, cio? non tutte insieme come avviene con la soluzione nota.

A conoscenza dei richiedenti, nello stato attuale della tecnica questa funzione viene ottenuta con l?impiego di specifici attuatori elettromeccanici, dei quali almeno uno ? dedicato all?azionamento del dito opponibile o dito pollice.

Un esempio di questo stato della tecnica ? riportato nella pubblicazione brevettuale US 2013/046395.

Ne consegue che questa soluzione non ? compatibile con una protesi sotto attuata come quella a cui si riferisce la presente invenzione, cio? protesi che abbiano un numero di attuatori minore rispetto ai gradi di libert?.

In altri termini, si pu? dire che il problema tecnico che si pone alla base dell?invenzione sia quello di rendere disponibile una protesi d?arto sotto attuata, in particolare ma non esclusivamente della mano, che sia in grado di eseguire un azionamento indipendente di almeno tre dita.

Le dita possono essere sia singole come il pollice, che accoppiate, ad esempio come indicemedio e anulare-mignolo,

Nell?ambito di questo problema, l?invenzione si propone di realizzare una protesi che sia leggera, che possa vantaggiosamente essere integrata in una struttura di protesi gi? esistente, senza richiedere molte modifiche e senza richiedere consumi di energia significativi rispetto a quelli per l?azionamento della protesi.

L?idea per risolvere questo problema tecnico ? quella di dotare la protesi di mezzi di blocco o arresto indipendente dei movimenti delle dita, cos? che quando l?utente comanda l?azionamento di alcune di esse, le altre rimangono in posizione piegata o distesa o intermedia, a seconda.

Di preferenza i mezzi di arresto sono mobili tra una prima condizione operativa in cui bloccano i movimenti di alcune delle dita e/o delle loro falangi, ed una seconda condizione non operativa in cui ne consentono i liberi movimenti.

Le caratteristiche dell?invenzione sono enunciate pi? specificamente nelle rivendicazioni annesse a questa descrizione.

Tali caratteristiche risulteranno meglio dalla spiegazione di un esempio di realizzazione del trovato, che viene di seguito esposta con riferimento ai disegni allegati forniti a titolo indicativo e non limitativo, nei quali:

- Fig. 1 mostra una vista prospettica di una mano in accordo con l?invenzione, in condizione aperta;

- Fig.2 mostra la mano di fig.1, in condizione chiusa a pugno;

- Fig. 3 e 4 mostrano rispettive viste in sezione longitudinale della mano precedente, nelle condizioni delle fig. 1 e 2 e della relativa configurazione del meccanismo di sotto-attuazione; - Fig. 5 ? una vista laterale, con una zona parzialmente in sezione ed ingrandita, della mano delle figure precedenti che mostra parte del meccanismo di sotto-attuazione;

- Fig.6 ? una sezione longitudinale di un dito della mano delle figure precedenti;

- Fig.7 mostra una vista interna di una parte della mano delle figure 1-6;

- Fig. 8 e 9 mostrano rispettivamente una vista in prospettiva ed in sezione longitudinale, un dispositivo di arresto delle dita della mano secondo l?invenzione visibile in fig.7;

- Fig.10 ? uno schema che mostra la posizione ed il funzionamento del dispositivo di arresto delle fig.8 e 9;

- Fig. 11(a)-11(f) mostrano rispettive condizioni di funzionamento della mano secondo l?invenzione.

Con riferimento ai disegni sopra elencati, in essi con 1 ? complessivamente indicata una mano in accordo con l?invenzione.

Per semplicit? e chiarezza di descrizione, in questa sede si far? riferimento ad una mano protesica elettromiografica come quella descritta in WO 2019/215577, modificata opportunamente come risulter? meglio in seguito.

Ci? non dovr? comunque essere inteso in modo limitante o contrastante o difforme con la presente invenzione, n? potranno essere tratte conclusioni estrapolando parti di descrizione dal contesto e dall?insegnamento del presente trovato.

In questo contesto si segnala quindi che il riferimento ad "una forma di attuazione" all'interno di questa descrizione sta ad indicare che una particolare configurazione, struttura o caratteristica ? compresa in almeno una possibile forma realizzativa dell'invenzione.

Quindi, espressioni come "in una forma di attuazione" e simili, presenti in diverse parti all'interno di questa descrizione, non sono necessariamente tutte riferite alla stessa forma di attuazione. Inoltre, le particolari configurazioni, strutture o caratteristiche possono essere combinate in ogni modo adeguato nell?ambito di una o pi? forme di attuazione, anche se non esplicitamente mostrate o descritte, secondo quello che rientra nell?insegnamento dell?invenzione o delle conoscenze delle persone esperte del ramo.

I riferimenti utilizzati nel seguito, molti dei quali corrispondono a quelli di WO 2019/215577, sono soltanto per comodit? e non limitano l'ambito di tutela o la portata dell?invenzione e delle sue forme di attuazione.

Pertanto, avendo a mente questa premessa, si pu? dire che la mano protesica 1 comprende un corpo di base 2 e una pluralit? di dita 3 incernierate o collegate in modo articolato al corpo di base 2; le dita 3 sono di preferenza corrispondenti a quelle di una mano vera, vale a dire indice, anulare, medio e mignolo.

Il corpo di base 2 ? atto a essere vincolato a un elemento esterno, come un avanbraccio robotico o di un arto umano, non mostrati nelle figure; per questo scopo il corpo di base 2 pu? essere collegato in maniera articolata o comunque rotante rispetto all?avanbraccio robotico per renderla conforme al polso della mano, oppure pu? essere rigidamente fissata all?avanbraccio.

Entrambe queste possibilit? sono comunque applicabili alla mano 1 dell?invenzione.

Il corpo di base 2 definisce una porzione prevalente della protesi, corrispondente sostanzialmente ad una porzione del dorso 2a e/o ad una del palmo 2b della mano protesica 1, dalla quale si estendono le dita 3.

Queste ultime comprendono di preferenza almeno due dita 3b, 3c incernierate al corpo base 2 e azionabili separatamente o comunque in modo selettivo tra loro; in particolare, la mano 1 comprende di preferenza due coppie di dita protesiche 3b, 3c, quali corrispondono rispettivamente alle coppie indice-medio 3b e anulare-mignolo 3c.

Le coppie di dita 3b, 3c comprendono di preferenza ciascuna una falange prossimale 31 collegata al corpo di base 2 della mano, ed una falange distale 32 all?estremit? del dito corrispondente, articolate tra loro per poter essere piegate e distese a seconda delle condizioni operative della mano protesica 1, lungo corrispondenti assi o direttrici di rotazione 31a, 32a. In aggiunta, secondo una forma preferenziale dell?invenzione, la mano 1 comprende anche un dito supplementare 3a atto a lavorare in opposizione a una o pi? delle altre dita 3b, 3c, per favorire la presa o impugnatura di oggetti. Il dito supplementare 3a ? identificabile nel pollice, come visibile nelle figure, e comprende anch?esso una falange prossimale 31 ed una distale 32 articolate tra loro per consentire la piegatura del dito pollice 3a rispetto ad un asse 31a.

Le falangi prossimali 31 delle dita 3a, 3b, 3c sono incernierate al corpo di base 2 della mano 1, definendo primo asse di rotazione 31a.

Nella forma realizzativa di questo esempio, ogni dito protesico 3a, 3b, 3c comprende un attacco 33 al quale ? vincolata la rispettiva falange prossimale 31; essendo l?attacco 33 parte o comunque sporgente dal corpo di base 2 della mano, ne consegue che anche la rispettiva falange prossimale 31 risulta anch?essa vincolata al corpo di base 2.

Opzionalmente, la mano protesica 1 pu? comprendere un meccanismo (non mostrato nei disegni) di accostamento e divaricazione di una o pi? dita 3a, 3b, 3c, rispetto al quale esse ruotano accostandosi o divaricandosi tra loro o dal corpo di base 2.

La mano protesica 1 ? sotto-attuata in quanto dotata di un numero di attuatori inferiore a quello dei gradi di libert? dei suoi componenti (i.e. le dita) mobili.

Di preferenza essa comprende un attuatore 4 idoneo a comandare l?azionamento di una o pi? delle dita 3a, 3b, 3c, con l?ausilio di un sistema di cavi 5. L?attuatore ? tipicamente un motore elettrico, di solito a corrente continua (es. brushed o brushless), eventualmente associato ad un riduttore o comunque a mezzi 4a per variare la velocit? di un albero di uscita 4b, sul quale viene avvolto o svolto un cavo primario 5a.

Essendo la mano protesica 1 attuata da un solo attuatore 4, essa rientra nell?ambito della definizione mono-attuata.

L'attuatore 4 ? atto a comandare la flessione e l?estensione delle falangi 31, 32 delle dita 3; in particolare, per quanto riguarda la falange prossimale 31 essa viene ruotata rispetto al corpo di base 2 intorno al primo asse di rotazione 31a, mentre per la falange distale 32 essa ruota rispetto alla falange prossimale 31 intorno al secondo asse di rotazione 32a. L'attuatore 4 ? a monte rispetto delle dita 3 lungo la catena cinematica della mano protesica 1; in dettaglio esso ? vincolato ai corpo di base 2, ad esempio mediante accoppiamento di forma e/o con mezzi di fissaggio quali viti o similari.

L'attuatore 4 ? preferibilmente elettrico e alimentato mediante batteria che pu? essere incorporata nella struttura del dispositivo protesico oppure all?interno della struttura di ancoraggio del dispositivo al paziente; la batteria elettrica pu? essere collegata con un filo, eventualmente disposta a distanza da paziente stesso.

Per l?azionamento delle falangi 31, 32 delle dita 3, la mano protesica 1 comprende almeno un primo cavo 5a o cavo primario di comando, collegato all?attuatore 4 che lo muove, ad esempio, avvolgendolo o svolgendolo, a seconda delle fasi operative della mano.

Il sistema di azionamento delle dita 3 della mano 1 comprende inoltre almeno un cavo secondario o cavo condotto 5b, che si estende lungo una o pi? coppie di dita 3b, 3c indicemedio o anulare-mignolo, per la loro flessione e distensione.

I cavi primario 5a e secondario 5b sono operativamente collegati tra loro da un gruppo di trasmissione 6, atto a permettere al primo cavo di comando 5a di comandare il secondo cavo di comando 5b.

Preferibilmente, la mano 1 che comprende due coppie di dita protesiche 3b (indice-medio), 3c (anulare-mignolo), ? dotata di un unico cavo primario 5a e di due cavi secondari 5b, rispettivamente destinati ad una delle copie di dita 3b, 3c.

Il cavo primario 5a e quelli secondari 5b sono collegati tra loro mediante due gruppi 6 di trasmissione, cos? che in seguito al comando dell?attuatore 4, il primo cavo 5a possa agire in contemporanea su entrambi i secondi cavi 5b (Fig.2 e 3).

I cavi 5a, 5b sono realizzati in materiali leggeri e resistenti, cos? da sopportare le sollecitazioni generate durante l?uso, anche dopo numerosi cicli di funzionamento; di preferenza essi sono realizzati in polietilene o fibre derivate da questo polimero, in quanto oltre alle buone propriet? meccaniche unisce anche un coefficiente di attrito basso, cos? da favorire gli scorrimenti dei cavi 5a, 5b.

In una forma realizzativa, il cavo primario 5a presenta una prima estremit? fissata o comunque solidale al corpo di base 2 della mano, ed una seconda estremit? solidale all'attuatore 4.

Nel caso di mano protesica comprendente un dito pollice opponibile 3a come nell?esempio qui considerato, il primo cavo 5a ? atto a comandare tale dito pollice 3a e la sua prima estremit? di comando ? solidale al dito opponibile 3a. In accordo con una forma preferenziale, l?estremit? del cavo primario 5a ? collegata alla falange distale 32 del dito opponibile 3a. Ciascuno dei due cavi secondari 5b presenta una prima estremit? di comando vincolata a un primo dito di una rispettiva coppia 3b, 3c indice-anulare e medio-mignolo, mentre la seconda estremit? dei cavi secondari 5b ? vincolata al secondo dito di tali coppie di dita protesiche 3b, 3c.

Preferibilmente, ciascun cavo secondario 5b presenta la prima estremit? di comando rispettivamente associata alla falange distale 32 del primo dito 3b (indice) e 3c (anulare), mentre la seconda estremit? di comando dei cavi secondari 5b ? rispettivamente associata alla falange distale 32 del secondo dito 3b (medio), 3c (mignolo).

I gruppi di trasmissione 6 (vedere Fig.5) comprendono ciascuno:

almeno una guida 61 solidale al corpo di base 2;

un cursore o elemento mobile 62 scorrevole lungo la guida 61;

mezzi elastici 63, preferibilmente delle molle elicoidali ma potrebbero anche essere diversi (molle a tazza, a gas o di altro genere), atti a contrastare elasticamente lo scorrimento del cursore o elemento mobile 62 lungo la guida 61;

una prima puleggia o rullo 64 di scorrimento del cavo primario 5a incernierata all?elemento mobile 62;

una seconda puleggia o rullo 65 di scorrimento per ciascun cavo secondario 5b, incernierata all?elemento mobile 62 cos? che l'attuatore 4 quando movimenta il cavo primario 5a determina una traslazione dell?elemento mobile 62 lungo la guida 61.

Preferibilmente, ciascun gruppo di trasmissione 6 comprende due guide 61 parallele tra loro, lungo le quali ? scorrevole il relativo elemento mobile 62; le guide 61 dei due blocchi 6 sono sostanzialmente parallele tra loro.

La traslazione dell'elemento mobile 62 lungo le guide 61, essendo le pulegge 64 incernierate ad esso, causa la trazione (o tensionamento) e/o il rilascio (o allentamento) del rispettivo cavo secondario 5b, movimentando cos? le dita protesiche 3 a seconda del verso di traslazione. In dettaglio, la traslazione dell?elemento mobile 62 si traduce in una rotazione, preferibilmente concorde, delle falangi 31 e 32 intorno agli assi 31a e 32a in un primo verso. Si evidenzia come in contemporanea possa avvenire una rotazione rispetto al corpo di base 2 del dito opponibile 3a in un primo verso, generando la presa con le altre dita 3b, 3c.

Nella circostanza conviene precisare che in questo documento il "primo verso" identifica una rotazione comandata dall?attuatore 4, mentre il "secondo verso" identifica una rotazione opposta a quella del primo verso.

La traslazione dell?elemento mobile 62 ? eseguita in opposizione all?azione elastica di contrasto dei mezzi elastici 63 i quali, alla disattivazione dell'attuatore 4 (ossia quando non esercita una coppia/forza sul cavo primario 5a), comandano il ritorno in posizione iniziale dell?elemento mobile.

In dettaglio, l?azione dei mezzi elastici 63 consente una rotazione, opportunamente equiversa, delle falangi 31 e 32 delle dita protesiche 3b, 3c, in un secondo verso opposto al primo e riportante le medesime dita 3b, 3c in posizione iniziale.

In contemporanea, il ritorno nella posizione iniziate dell?elemento mobile 62 provoca una rotazione o estensione del dito opponibile 3a in un secondo verso opposto al primo.

Le guide 61 sono lineari e definiscono un asse o direzione di scorrimento 61a per il relativo elemento mobile 62; le due guide 61 hanno assi di scorrimento 6a sostanzialmente paralleli tra loro.

Le pulegge 64 e 65 definiscono rispetto al corrispondente elemento mobile 62, degli assi di rotazione pressoch? paralleli tra loro e sostanzialmente perpendicolari all?asse di scorrimento 61a. In alternativa, detti assi di rotazione possono essere inclinati tra loro.

I mezzi elastici 63 sono atti a mantenere in tensione cavo primario 5a; a tal fine essi sono preferibilmente precaricati.

I mezzi elastici 63 comprendono di preferenza almeno una molla elicoidale coassiale all?asse di scorrimento 61a; preferibilmente ? presente almeno una molla elicoidale 63 disposta intorno alla rispettiva guida 61.

La molla elicoidale 63 ? atta a operare a trazione e/o, preferibilmente, anche a compressione. Ciascun dito protesico 3a, 3b, 3c comprende un dispositivo di ritorno 34 atto a lavorare in opposizione a una rotazione o flessione del dito stesso, ed in particolare delle falangi 31 e 32, comandata dall'attuatore 4 tramite i cavi primario 5a e secondario 5b.

A tal fine il dispositivo di ritorno 34 ? atto a ruotare le falangi 31 e 32 nel secondo verso e quindi in estensione.

Si evidenzia come tale moto sia preferibilmente comandato dal solo dispositivo di ritorno 34, mentre i mezzi elastici 63 facilitano tale moto allentando il cavo secondario 5b.

Il dispositivo di ritorno 34 comprende un cavo 341 che ha una prima estremit? vincolata al corpo di base 2 della mano o all?attacco 33 presente su di esso, ed una seconda estremit? vincolata alla rispettiva falange distale 32; il dispositivo di ritorno comprende un organo elastico 342 quale una molla o un tassello in gomma o simili, atto a mantenere in tensione il cavo secondario 5b.

Il cavo di ritorno 341 presenta la seconda estremit? solidale al corpo elastico 342, che ? interposta tra detta seconda estremit? e la falange distale 32. Il cavo di ritorno 341 si trova preferibilmente da parte opposta al cavo di cornando primario 5a e/o secondario 5b, rispetto agli assi di rotazione 31a e 32a.

Preferibilmente i cavi di ritorno 341 delle dita 3b, 3c di una mano 1 sono da parte opposta, rispetto a tutti gli assi di rotazione 31a e 32a delle falangi 31, 32, ai cavi di comando 5a e/o 5b, cos? che le dita 3a, 3b, 3c possono ruotare in modo equiverso quando attuate sia dai cavi di ritorno 341, sia dai cavi di comando 5a e/o 5b.

Il corpo elastico 342 ? atto a mantenere in tensione cavo di ritorno 341 e a lavorare in opposizione ai cavi di comando 5a e/o 5b.

Pertanto, quando l?attuatore 4 ? attivato il cavo di comando 5a e/o 5b, ruotando le falangi 31 e 32 nel primo verso, movimenta il cavo di ritorno 341 caricando il corpo elastico 342 che, alla disattivazione dell?attuatore 4, pu? comandare una rotazione delle falangi 31 e 32 nel secondo verso.

Il corpo elastico 342 ? alloggiato nella falange distale 32 ed ? di preferenza costituito da una molla elicoidale coassiale alla falange distale 32. In dettaglio esso pu? essere una molla a trazione e/o a compressione, a seconda delle realizzazioni del meccanismo di comando della mano.

Il corpo elastico 342 pu? essere precaricato cos? da regolare la risposta elastica delle dita 3a, 3b, 3c. Preferibilmente le dita 3a, 3b, 3c presentano differenti precarichi dei corpi elastici 342, cos? da differenziarne la risposta e, di conseguenza, la movimentazione delle dita stesse.

In accordo con la presente invenzione, le dita 3b, 3c della mano ovvero le coppie indicemedio e anulare-mignolo, hanno movimenti che possono essere indipendenti tra loro.

A tal fine, in prossimit? delle guide 61 sono predisposti dei dispositivi 100 di arresto o blocco dei gruppi di trasmissione 6.

I dispositivi di arresto 100 comprendono un meccanismo a camma 101 associato ad un attuatore 102; quest?ultimo ? preferibilmente costituito da un motore elettrico 103 di tipo a corrente continua senza spazzole (c.d. brushless), accoppiato ad un riduttore 104 meccanico o di altro genere. In una soluzione preferenziale il riduttore ? di tipo ad ingranaggi planetari con rapporto 700:1.

L?attuatore 102 comanda in rotazione una camma 101 che si muove tra una condizione non operativa (visibile in fig.9), nella quale risulta sostanzialmente allineata con il corpo 106 del dispositivo 100, ed una condizione operativa in cui viene ruotata rispetto all?asse Z, preferibilmente coincidente con quello longitudinale del motore 103 e del riduttore 104.

Nella condizione operativa la camma 101 sporge rispetto al corpo 106 del dispositivo (visibile in Fig. 8) e impedisce i movimenti di scorrimento del cursore 62 di un rispettivo gruppo di trasmissione 6, lungo la guida 61 corrispondente.

Questa situazione di funzionamento ? schematicamente mostrata nella figura 10, con riferimento al gruppo di trasmissione a sinistra nella figura (gruppo 100), associato alla coppia di dita 3c mignolo-anulare.

Vantaggiosamente, in accordo con una forma di realizzazione preferita, la rotazione della camma 101 posta in configurazione non operativa del meccanismo (Fig.8), si impegna in una scanalatura 108 del corpo 106 del dispositivo, cos? da mantenere il dispositivo di arresto 100 in una condizione di blocco seguito dalla disattivazione dell?attuatore 103.

Viceversa, una volta ruotata la camma 101 in direzione opposta (alla scanalatura 108) ? invece possibile mantenere la condizione operativa di fermo del cursore 62 adiacente, senza consumare energia elettrica da parte del motore dell?attuatore 103, con evidenti benefici per l?utilizzo della mano protesica 1.

Nella condizione non operativa della camma 101 quindi, essa risulta ritratta rispetto alla sagoma del dispositivo 100 cos? da lasciare libero di muoversi il cursore 62 adiacente; questa situazione ? visibile nella parte destra di figura 10, con riferimento alla coppia di dita 3b indice-medio. Viceversa, nella condizione operativa di figura 10 di sinistra, la camma 101 intercetta la corsa del cursore 62 limitando quindi la movimentazione delle dita anularemignolo (3c), favorendo quindi la movimentazione delle dita indice-medio (3b) ed eventualmente del pollice (3a).

Da quanto sinora descritto ? possibile comprendere il funzionamento della mano protesica 1 e del modo di azionamento separato, o comunque selezionato, delle dita 3, in particolare della terna di dita o coppie di dita 3a, 3b, 3c.

Cominciando dalla fase di funzionamento quando il sistema di blocco della terna di dita ? disabilitato, le dita 3a, 3b, 3c sono libere di muoversi, vale a dire di piegarsi o distendersi per la chiusura e l?apertura della mano.

In tale circostanza il dispositivo di arresto 100 viene attivato con almeno un segnale EMG (elettromiografico) dell?utilizzatore (amputato), per la presa o comunque il comando separato delle coppie (indice-medio, anulare-mignolo) di dita 3b, 3c, e del pollice opponibile 3a.

La persona amputata pu? controllare l'apertura e la chiusura della mano protesica 1 tramite segnali EMG, che causano la rotazione del motore elettrico dell?attuatore principale 4. L'attivazione di questo motore 4 secondo un primo verso di rotazione avvolger? il cavo primario 5a sull?albero 4b di uscita del meccanismo differenziale 4a, che ? attaccato all'uscita del motore.

L'avvolgimento del cavo primario 5a provocher? un movimento verso il basso dei cursori 62 dei due gruppi di trasmissione 6 con le relative pulegge o rulli 64, 65 lungo le loro rispettive guide lineari 61.

Il movimento dei gruppi di trasmissione 6 mette in trazione, a loro volta, i due cavi secondari 5b fisicamente separati, le cui estremit? sono attaccate alle singole dita 3b, 3c della mano protesica (cio? coppie indice-medio e anulare-mignolo).

L'altra estremit? del cavo primario 5a ? attaccata al meccanismo del dito opponibile (pollice) 3a, per cui una tensione crescente nel cavo primario 5a causer? la chiusura del pollice.

Le porzioni dei cavi secondari 5b impegnati con le pulegge superiori 65 sono connesse alle coppie di dita 3b, 3c: quindi una tensione crescente sul cavo primario 5a causer? anche la chiusura completa di ogni dito 3a, 3b, 3c, in una configurazione sostanzialmente a pugno, come quella visibile in fig.11(f).

Passando ora a descrivere la fase di funzionamento della mano protesica 1, in cui il sistema di blocco della terna di dita 3a, 3b, 3c ? abilitato (configurazione operativa sopra citata) per consentire la distensione della coppia di dita 3c (vale a dire anulare-mignolo), mentre le altre dita 3a, 3b sono libere di piegarsi, si consideri quanto segue.

Quando il meccanismo di bloccaggio 100 viene attivato dal paziente tramite un segnale EMG specifico o un altro input, esso impedisce che il rispettivo gruppo di trasmissione 6 comprendente il cursore 62 e le pulegge 64, 65, che aziona la coppia di dita 3c tramite il relativo cavo secondario 5b, venga fatto scorrere verso il basso lungo la guida 61 dal cavo primario 5a avvolto dal motore principale 4 e dal riduttore 4a (vedere fig.10, parte sinistra). Questo comportamento ? reso possibile dalla rotazione della camma 101 comandata dall?attuatore 103, la quale si porta nella condizione operativa sporgente dal corpo 106 in modo da arrestare al gruppo regolatore 6 adiacente di scorrere verso il basso lungo la guida 61.

In questa condizione di funzionamento, il meccanismo differenziale della mano protesica 1 permette comunque all?altro gruppo regolatore 6 delle dita 3b (indice-medio a destra nella fig.

10) della mano di muoversi verso il basso lungo la guida 61, consentendo la libera apertura e la chiusura delle rispettive dita 3b.

In questa forma di realizzazione della mano 1, solo uno dei dispositivi di arresto 100 (quello di sinistra in Fig.10), quando ? attivato, blocca le dita 3c (anulare e mignolo) nella posizione completamente estesa, consentendo quindi la presa di precisione "tri-digitale", dove solo il pollice 3a, il dito medio e l'indice 3b si chiudono durante la presa (Figura 11 (a), 11(c), 11(e)). Inoltre, anche se non mostrato nella Figura 10, il funzionamento della mano protesica 1 secondo l?invenzione prevede la possibilit? che la camma 101, nella sua condizione operativa in cui sporge lateralmente dal dispositivo 100, impedisca lo scorrimento verso l?alto del cursore 62 del gruppo regolatore 6 adiacente, agendo sul lato superiore del cursore 62 (con riferimento alla disposizione di fig.10).

Questa configurazione di arresto del gruppo 6 ha l'effetto di mantenere le dita 3c anularemignolo nella configurazione flessa (fig.11 (d)). Questo permette una versione diversa della presa tridigitale pi? adatta a compiti molto precisi, dove le dita indice-medio 3b in posizione aperta (completamente estesa) altrimenti interferirebbero.

Come si pu? agevolmente comprendere, la mano protesica 1 secondo l?invenzione consente di risolvere il problema tecnico che ne ? alla base.

Infatti, essa consente di aggiungere una funzionalit? importante alla mano sotto attuata, quale quella di avere una possibilit? di azionamento tridigitale ovvero di una terna di dita, in maniera differenziata.

Questo consente di incrementare le prestazioni della mano 1 per quanto riguarda la presa e manipolazione degli oggetti, mantenendola comunque attuata da un solo motore principale 4. L?invenzione mette a disposizione un meccanismo di bloccaggio attivo, compatto e di peso ridotto, che pu? essere integrato in una mano robotica protesica poliarticolata sotto-attuata che utilizza un meccanismo meccanico-differenziale azionato da cavi.

L'invenzione permette agli utenti di recuperare uno dei metodi di presa pi? comunemente usati, la gi? citata presa tridigitale, che fino ad ora era riproducibile solo da mani robotiche completamente azionate ma molto complesse.

Questa invenzione, secondo l'integrazione meccatronica all'interno della mano robotica protesica poli-articolata sotto-attuata, permette alla presa finale di mantenere la sua intrinseca presa differenziale in entrambe le configurazioni abilitate e disabilitate per tutte le modalit? di presa implementate. Infine, l'interfaccia uomo-macchina (HMI) ? molto semplice, e il dispositivo capisce l'intento dell'utente, regolando il suo comportamento tramite il controllo del segnale EMG.

Per mezzo dell?insegnamento della presente invenzione, ? ora possibile permettere ad una protesi sottoattuata come quella di WO 2019/215577, di eseguire nuove funzionalit? attivando e disattivando il meccanismo di azionamento dei cavi 5a, 5b durante ciascuna delle prese precedentemente descritte. A seconda delle azioni di apertura e di chiusura della mano 1 che vengono eseguiti, la coppia di dita anulare e mignolo 3c possono rimanere bloccate in due posizioni diverse: completamente estese, oppure completamente flesse.

Le caratteristiche tecniche distintive dell'invenzione possono quindi essere cos? riepilogate. Un meccanismo di bloccaggio attivo molto compatto e a bassa potenza che lavora in combinazione con un meccanismo differenziale azionato via cavo per una mano robotica sotto attuata.

Un metodo unico di utilizzare un motore molto piccolo (l?attuatore 103 dei dispositivi di arresto 100) e un meccanismo di bloccaggio a camma 101, in combinazione con un motore 4 principale di presa molto pi? grande, al fine di fornire diverse modalit? di presa, senza aumentare il consumo della batteria o ridurre la potenza di presa utilizzando due motori uguali ma piccoli.

La compattezza del dispositivo di arresto 100 e dell'intero meccanismo di bloccaggio delle dita 3a, 3b, 3c, permette di mantenere gli attributi antropomorfi della protesi di mano, e mantiene la dimensione totale entro il 50 % di una mano maschile media.

Il meccanismo di bloccaggio ? inoltre leggero e utilizza solo componenti molto semplici; pertanto, fornisce funzionalit? aggiuntive ad un costo molto basso soprattutto in relazione al fatto che aumenta notevolmente le prestazioni della mano 1, con un ulteriore tipo di presa delle dita quale la presa tridigitale ?a pizzico?, con le dita anulare e mignolo totalmente flesse o estese.

Al momento il dispositivo di arresto 100 si applica solo al gruppo regolatore 6 che supporta le carrucole 64 e 65, ma potrebbe essere applicato a qualsiasi altro sistema di cursori con carrucole in un simile meccanismo differenziale guidato da cavi.

La presente invenzione, essendo integrata in un meccanismo differenziale guidato da tendini, permette alla mano robotica/protesica in uso di mantenere la sua intrinseca differenziabilit?. Tutte queste caratteristiche ed effetti vantaggiosi rientrano nell?ambito delle rivendicazioni che seguono.

Claims (11)

RIVENDICAZIONI

1. Protesi della mano (1) comprendente un corpo di base (2) che definisce una porzione prevalente, corrispondente sostanzialmente ad una porzione del dorso (2a) e/o ad una del palmo (2b) della mano, una pluralit? di dita (3, 3a, 3b, 3c) che si estendono dal corpo di base (2) collegate ad esso in modo articolato e comprendenti delle falangi (31, 32) ruotabili per la flessione ed estensione delle dita, un sistema di cavi (5, 5a, 5b) e carrucole (64, 65) scorrevoli, associati alle dita (3, 3a, 3b, 3c) per l?azionamento di flessione ed estensione, caratterizzata dal fatto di comprendere dei mezzi arresto (100, 101, 103, 104, 105) selettivo dei movimenti delle dita (3, 3a, 3b, 3c), cos? che quando l?utente comanda l?azionamento di alcune di esse, le altre rimangono in posizione piegata o distesa, e viceversa.

2. Protesi secondo la rivendicazione 1, in cui i mezzi di arresto (100, 101, 103, 104, 105) o almeno una parte (101) di essi, sono mobili tra una prima condizione operativa in cui bloccano i movimenti del sistema di cavi (5, 5a, 5b) e carrucole (64, 65) associato ad un dito (3, 3a, 3b, 3c), ed una seconda condizione non operativa in cui ne consentono i liberi movimenti.

3. Protesi secondo le rivendicazioni 1 o 2, in cui il sistema di azionamento delle dita (3, 3a, 3b, 3c) comprende almeno un cavo primario (5a) collegato ad un attuatore (4, 4a) di comando, una pluralit? di cavi secondari (5b) ciascuno dei quali ? associato ad almeno un rispettivo dito (3b, 3c), un gruppo di trasmissione (6) atto a permettere al cavo primario (5a) di comandare un rispettivo cavo secondario (5b), in cui il gruppo di trasmissione (6) comprende un cursore o altro elemento mobile (62) ed in cui i mezzi di arresto (100, 101, 103, 104, 105) sono atti ad impedire i movimenti del cursore o elemento mobile (62).

4. Protesi secondo la rivendicazione 3, in cui il cursore o altro elemento mobile (62) del gruppo di trasmissione (6) ? scorrevole lungo una guida (61) e dove i mezzi di arresto (100, 101, 103, 104, 105) comprendono un dispositivo (100) disposto adiacente alla guida (61).

5. Protesi secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui i mezzi di arresto (100, 101, 103, 104, 105) comprendono un dispositivo (100) in cui un meccanismo a camma (101) si muove tra una condizione non operativa, nella quale i movimenti del sistema di cavi (5, 5a, 5b) e carrucole (64, 65) associato ad un rispettivo dito (3, 3a, 3b, 3c) sono liberi, ed una condizione operativa in cui la camma (101) coopera per bloccare i movimenti del sistema di cavi (5, 5a, 5b) e carrucole (64, 65) associato ad un rispettivo dito (3, 3a, 3b, 3c).

6. Protesi secondo la rivendicazione 5, in cui il dispositivo di arresto (100) comprende un attuatore (103) per azionare la camma (101), che ? atto a mantenere la camma (101) in detta condizione operativa, anche quando l?attuatore (103) ? disattivato.

7. Protesi secondo la rivendicazione 6, in cui il meccanismo a camma (101) si muove tra una condizione non operativa nella quale la camma (101) risulta sostanzialmente allineata con il corpo (106) del dispositivo (100), ed una condizione operativa in cui la camma (101) sporge dal corpo (106) del dispositivo (100) per bloccare i movimenti del sistema di cavi (5, 5a, 5b) e carrucole (64, 65) associato ad un rispettivo dito (3, 3a, 3b, 3c) .

8. Protesi secondo la rivendicazione 7, in cui i movimenti della camma (101) tra dette condizioni operative sono associati a quelli dell?attuatore (103).

9. Protesi secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, comprendente almeno tre dita (3a, 3b, 3c).

10. Protesi secondo la rivendicazione 9 in cui una delle dita (3a) ? opponibile alle altre due (3b, 3c).

11. Protesi secondo le rivendicazioni 9 o 10, in cui le dita azionabili in maniera selezionata comprendono coppie di dita indice-medio (3b) e anulare-mignolo (3c).