ITFI20080150A1 - Attuatore a magneti permanenti per attuazione di tipo adattativo - Google Patents

Description

ATTUATORE A MAGNETI PERMANENTI PER ATTUAZIONE DI TIPO ADATTATIVO

DESCRIZIONE

La presente invenzione ha per oggetto un attuatore magnetico a magneti permanenti in particolar modo per attuazione adattativa.

Gli attuatori commerciali comunemente utilizzati nei più svariati campi tecnici sono quelli di tipo elettromagnetico dove la potenza viene ricavata dalle interazioni tra le correnti che circolano nei conduttori ed il campo magnetico.

Le caratteristiche delle tre principali tipologie di attuazione che sfruttano motori commerciali sono le seguenti:

• Attuazione diretta. In questa categoria rientrano due tipologie di attuatori che sfruttano diversi principi fisici.

o Forza di Lorentz. Classici motori con uso diretto, senza cioà ̈ l’ausilio di riduttori. I vantaggi sono una completa reversibilità e la possibilità di ottenere come effetto primario in uscita una forza, questo a scapito del rendimento che tipicamente assume dei valori molto bassi e della forza stessa che, fissate le dimensioni dell’attuatore, risulta debole.

o Riluttanza variabile. La presenza di un solenoide percorso da corrente permette la formazione di flusso magnetico circolante in un apposito circuito in materiale ferromagnetico. In corrispondenza di traferri si generano forze di attrazioni che possono essere usate per l’attuazione. La necessità di garantire forze consistenti all’aumentare del traferro richiede intense correnti con conseguenti dissipazioni per effetto Joule e bassi rendimenti

• Attuazione con motoriduttori. In questo caso al motore à ̈ collegato un riduttore. Ciò permette di aumentare il rendimento a discapito della reversibilità del sistema. Inoltre l’effetto primario che si ottiene in uscita à ̈ uno spostamento (rotazione) e solo come indiretta conseguenza si ricava una forza.

• Attuazione idraulica o pneumatica. Il motore (eventualmente associato ad un riduttore) viene usato per incrementare la pressione di un fluido che consente il movimento di attuatori idraulici. Ciò garantisce il recupero di una certa reversibilità, della capacità di controllo di rigidezza e la possibilità di ottenere forze in uscita. Tuttavia, rispetto al precedente sistema di attuazione, la presenza di un circuito fluidico comporta maggior peso ed ingombro disturbando il movimento. Lo stesso circuito fluidico e la necessità di introdurre macchine operatrici per energizzare il fluido causa una notevole diminuzione di rendimento rispetto alla combinazione motoreriduttore.

Tra gli attuatori esistono tre gruppi basati sulle interazioni magnetiche che sfruttano le forze di Laplace-Lorentz o le forze prodotte da variazioni di riluttanza.

• Attuatori con avvolgimenti mobili. Quando l’avvolgimento si trova in un campo magnetico statico ed à ̈ percorso da corrente à ̈ sottoposto alla forza di Laplace-Lorentz. Questa à ̈ proporzionale alla corrente e l’attuatore à ̈ ben controllabile, un tipico esempio sono gli altoparlanti.

• Attuatori con magneti mobili. Un magnete permanente posto tra due poli può essere spostato dall’uno all’altro energizzando un solenoide. Questo tipo di attuatore consente di realizzare elevate forze, ma risulta bi-stabile e dunque di difficile controllo.

• Attuatori con elementi ferromagnetici mobili. Un elemento ferromagnetico à ̈ posto in un sistema con avvolgimenti. Quando questi sono percorsi da corrente l’elemento ferromagnetico si muove naturalmente in modo da minimizzare l’energia del sistema.

Per quanto riguarda le applicazioni in ambito tecnico dei magneti permanenti, si rileva che il loro utilizzo à ̈ aumentato soprattutto grazie al recente sviluppo delle tecniche di produzione e dalla conseguente possibilità di realizzare magneti sempre più potenti a parità di peso ed ingombro.

Attualmente i magneti permanenti trovano due principali utilizzi nel campo dell’attuazione:

• Generare campi magnetici permanenti. La capacità dei magneti permanenti di generare campi à ̈ sfruttata in abbinamento a conduttori percorsi da corrente. Ciò consente di generare le forze di Lorentz o le forze dovute alla riluttanza variabile.

• Trasmettere forze a distanza. Questa proprietà tipicamente non à ̈ sfruttata nel campo dell’attuazione, ma trova applicazione nel caso d’interruttori o di accoppiamenti magnetici.

Un’altra caratteristica proprietà dei magneti à ̈ la loro capacità di interagire reciprocamente con azioni di attrazione e repulsione a seconda del loro orientamento. Le tipiche applicazioni di questa proprietà sono i cuscinetti magnetici o il Maglev dove sono sfruttate azioni di repulsione per separare i componenti in modo da ridurre l’attrito.

È possibile pensare di utilizzare questa proprietà anche nel campo dell’attuazione dove la natura stessa della diretta interazione magnetica permette di risolvere alcune delle limitazioni dei tradizionali attuatori.

Un esempio di applicazione della levitazione magnetica all'attuazione ed al rilevamento di forze in robotica à ̈ descritta in Masahiro Tsuda et al., "Magnetic Levitation Servo for Flexible Assembly Automation", The International Journal of Robotics Research, Vol.11, No.4, 329-345 (1992). Il problema qui affrontato à ̈ quello dell'adattabilità dei manipolatori robotici che viene risolto con la combinazione di attuatori elettromagnetici abbinati ad un idoneo sistema di controllo. Tuttavia in questo caso si sfruttano i tradizionali elettromagneti con una conseguente limitata efficienza e basse forze in gioco.

In WO2004064238 viene descritta la possibilità di utilizzare la diretta interazione di magneti, variabile a seconda dell'orientamento di un magnete di controllo, per muovere avanti e indietro un oggetto su cui à ̈ applicato un magnete permanente. Un magnete rotante ad un lato dell'oggetto rivolge alternativamente la polarità N o S verso di esso esercitando una forza di attrazione e di repulsione alternate sull'oggetto che fa muovere avanti e indietro l'oggetto stesso.

In JP2007104817 e in JP2008054374 Ã ̈ previsto un recupero energetico in fase di orientamento del magnete tramite un disco su cui sono calettati dei contrappesi, ma questa soluzione comporta il problema di non consentire la realizzazione di oggetti in miniatura a causa di effetti di scala. Le forze derivanti dalle interazioni magnetiche sono proporzionali alla superficie, mentre quelle del sistema di equilibratura sono proporzionali alla massa e dunque al volume. Inoltre, il sistema ivi proposto permette il funzionamento dell'attuatore solo in configurazione statica rendendolo inadeguato ad applicazioni mobili come quelle richieste, ad esempio, nel campo della robotica.

WO 01/69613 descrive un attuatore a magneti permanenti che usa la forza repulsiva magnetica per l'azionamento. Il meccanismo dell'attuatore comprende un primo elemento traslatore con un magnete permanente spostabile tra due posizioni ed un secondo elemento traslatore con un altro magnete permanente spostabile tra due posizioni, i due magneti essendo in mutua repulsione. Una struttura di contenimento limita la corsa dei due traslatori. Azionando uno dei due traslatori in un verso, l'altro si sposta nel verso opposto, il processo di spostamento essendo reversibile. E' previsto un parziale recupero energetico mediante mezzi elastici. Il sistema à ̈ di tipo bistabile e dunque non adattabile e non consente di modulare la forza in uscita.

Tuttavia, fino ad oggi, gli attuatori in robotica, in particolare nel campo della robotica bioispirata, hanno delle prestazioni lontane da quelle raggiunte, ad esempio, dai muscoli. Le principali limitazioni riguardano inerzia, irreversibilità, bassa efficienza ed impossibilità di controllare la rigidezza. In applicazioni dove à ̈ richiesta un’interazione naturale o comunque adattativa con l’ambiente e con l’utente, queste limitazioni degli attuatori noti impediscono lo sviluppo di macchine idonee e costringono alla correzione degli effetti indesiderati tramite tecniche di controllo dedicate e solo parzialmente efficaci.

Lo scopo della presente invenzione à ̈ di fornire un attuatore magnetico a magneti permanenti che presenti un'elevata efficienza e sia in grado di fornire forze elevate caratterizzato da un'elevata adattabilità ossia reversibilità e controllo di rigidezza, verso l'ambiente esterno e l'utente.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ di fornire un attuatore a magneti permanenti del tipo summenzionato in cui sia possibile gestire con facilità il campo magnetico per concentrare e convogliare il campo generato dai magneti in una generica posizione dello spazio favorendone una corretta interazione.

Un ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ di fornire un attuatore magnetico del tipo summenzionato che risulti idoneo all'applicazione nel campo della robotica bioispirata.

Questi scopi vengono raggiunti con l'attuatore a magneti permanenti secondo la presente invenzione le cui caratteristiche essenziali sono riportate nella rivendicazione 1. Ulteriori caratteristiche importanti sono riportate nelle rivendicazioni dipendenti.

Nella sua forma più generale l'attuatore magnetico secondo l'invenzione comprende una serie di magneti permanenti formata da almeno un primo gruppo di magneti ed un secondo gruppo di magneti spazialmente disposti in modo da poter interagire magneticamente tra loro; mezzi per orientare i magneti di un gruppo rispetto ai magneti dell'altro gruppo per variare l'interazione reciproca tra di essi; mezzi di accumulo di energia potenziale collegati ai due gruppi di magneti per recuperare l'energia necessaria all'orientamento dei magneti

Secondo un aspetto dell'invenzione l'attuatore à ̈ impiegato per realizzare un elemento robotico e le reciproche azioni di attrazione e repulsione sono sfruttate per realizzare la flessione dei singoli segmenti costituenti la struttura del robot riproducendo un tipico movimento anguilliforme.

In una forma realizzativa preferita l'attuazione flessionale à ̈ ottenuta prevedendo una serie di magneti permanenti formata da due file parallele di magneti a magnetizzazione diametrale disposti secondo coppie di magneti complanari, i magneti di ciascuna coppia essendo allineati a quelli corrispondenti delle coppie adiacenti, mezzi a motore essendo associati a ciascuna coppia per variare l'orientamento di almeno uno dei due magneti della coppia, i magneti di ciascuna coppia essendo connessi tra loro dai mezzi ad accumulo di energia potenziale, e sono previsti mezzi di connessione flessibile tra due coppie consecutive nella direzione di allineamento dei magneti.

Secondo un altro aspetto dell'invenzione l’attuatore à ̈ utilizzato in configurazione lineare. Un possibile impiego sono i sistemi di attuazione “muscle like†, mediante i quali à ̈ possibile replicare le proprietà dei muscoli, in particolare la capacità di generare forza, adattabilità, rilassamento e tono.

In una forma realizzativa preferita di attuazione lineare à ̈ prevista una serie di magneti permanenti formata da una fila di magneti a magnetizzazione diametrale disposti allineati e paralleli tra loro, i magneti del primo gruppo alternandosi in detta fila a quelli del secondo gruppo, essendo previsti mezzi a motore connessi ai magneti di almeno uno di detti gruppi per variarne l'orientamento relativo in modo da passare da una configurazione di mutua attrazione tra i magneti di detto primo e secondo gruppo ad una configurazione di mutua repulsione e viceversa, i mezzi di accumulo di energia potenziale essendo disposti tra i due gruppi di magneti.

L'attuatore magnetico secondo l'invenzione presenta le seguenti funzioni:

• Diretta interazione tra magneti permanenti.

• Controllo delle forze magnetiche: modificando il reciproco orientamento dei magneti permanenti à ̈ possibile controllare le forze d’interazione in intensità e verso.

• Recupero energetico. Recuperando l’energia necessaria alla variazione di orientamento dei magneti à ̈ possibile fornire solo l’energia effettivamente utile per l’attuazione.

Le proprietà che ne derivano sono:

• Uscita in forza

• Forze d’intensità elevata

• Adattabilità

• Rendimento elevato

• Stabilità

Un attuatore con magneti permanenti, come quello proposto, consente quindi di sfruttare le forze di attrazione o repulsione che sono trasmesse a distanza attraverso il campo magnetico generato. L’intensità (di valore massimo anche molto elevato grazie all’uso di magneti con grande induzione residua) ed il verso delle reciproche azioni possono essere controllate modificando l’orientamento dei magneti. È inoltre possibile ottenere reversibilità e la natura conservativa delle interazioni tra i magneti garantisce elevati rendimenti.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'attuatore a magneti permanenti secondo la presente invenzione risulteranno più chiaramente dalla descrizione che segue di sue forme realizzative fatte a titolo esemplificativo e non limitativo con riferimento ai disegni annessi in cui:

La figura 1 mostra uno schema di principio dell'attuatore a magneti permanenti secondo la presente invenzione in una configurazione atta a produrre una forza in uscita;

la figura 2 mostra uno schema di principio dell'attuatore a magneti permanenti secondo la presente invenzione in una configurazione atta a produrre una coppia (momento flettente) in uscita;

la figura 3 mostra il principio di funzionamento dell'attuatore secondo l'invenzione;

la figura 4 mostra la modalità di controllo dell'intensità delle forze generate nell'attuatore secondo l'invenzione;

la figura 5 a), b), c) mostra lo schema di principio del recupero energetico nell'attuatore secondo l'invenzione;

la figura 6 mostra una prima forma realizzativa di attuatore flessionale secondo l'invenzione in configurazione a) neutrale e b) attrattiva;

le figure 7a, 7b, 7c mostrano un modulo di attuatore flessionale;

la figura 8 mostra il principio di funzionamento di una seconda forma realizzativa dell'attuatore secondo l'invenzione in configurazione lineare a) attrattiva e b) repulsiva;

le figure 9a e 9b mostrano in vista prospettica un attuatore lineare secondo l'invenzione in due diverse condizioni operative;

la figura 10 mostra una sezione longitudinale dell'attuatore di figura 9;

la figura 11 Ã ̈ una vista prospettica esplosa e in sezione dell'attuatore di figura 10;

la figura 12 Ã ̈ una vista esplosa ingrandita di un particolare di figura 9

la figura 13 Ã ̈ una vista prospettica frontale delle uscite del motoriduttore per l'attuatore di figura 9;

la figura 14 mostra un esempio di elemento elastico che agisce tra due magneti consecutivi;

le figure 15a,b,c e 16a,b,c mostrano la modulazione della forza in uscita con l'ausilio di elementi elastici.

Le figure 1 e 2 rappresentano uno schema di principio dell'attuatore secondo l'invenzione e dei suoi componenti: una serie di magneti M che possono assumere varie configurazioni spaziali purché siano sottoposti a reciproche interazioni; un servomotore SM per orientare selettivamente i magneti modificando le reciproche interazioni e come conseguenza l’intensità ed il verso delle interazioni magnetiche; un sistema di recupero energetico RE che, sfruttando la natura conservativa delle interazioni magnetiche, consente di recuperare l’energia necessaria all’orientamento dei magneti. Elementi elastici permettono di realizzare un’efficace equilibratura dei magneti consentendo una possibile miniaturizzazione dell’attuatore e l’utilizzo per applicazioni dinamiche. L’attuatore produce una forza in uscita e può essere usato sia in configurazione lineare (figura 1) che flessionale (figura 2). In quest’ultimo caso à ̈ conveniente sfruttare due serie di magneti che interagiscono alternativamente o in modo opposto l’una rispetto all’altra.

Oltre agli elementi elencati, necessari per il funzionamento dell’attuatore, vantaggiosamente possono essere introdotti due ulteriori componenti: elementi in materiale ferromagnetico ed elementi in materiale elastico. I primi permettono di controllare in modo più efficace l’interazione magnetica consentendo di concentrare e convogliare nello spazio il campo generato dai magneti. Ciò può risultare utile per massimizzare l’interazione magnetica e dunque le reciproche forze attrattive o repulsive, o minimizzarla in modo da ottenere configurazioni neutre di non interazione in cui il campo del magnete si chiude su se stesso. L’esempio di attuatore flessionale proposto ha una configurazione di equilibrio che si ottiene sfruttando proprio questa proprietà. La possibilità di isolare i magneti a seconda della loro configurazione consente di realizzare attuatori stabili, non bistabili come quelli secondo la tecnica nota. Ciò si risolve in un miglior controllo dell’attuatore.

L’eventuale presenza di ulteriori elementi elastici che agiscono tra magneti consentono di modulare la forza in uscita dall’attuatore o stabilizzare l’attuatore in determinate configurazioni. L’utilizzo di queste proprietà sarà analizzato con maggiore dettaglio nell’esempio di attuatore lineare.

Il principio di funzionamento dell'attuatore a magneti permanenti secondo la presente invenzione può essere spiegato considerando una serie di magneti circolari con magnetizzazione diametrale allineati nel piano. In figura 3 à ̈ rappresentato un ciclo completo di alimentazione. L’idea fondamentale consiste nel modificare la configurazione della serie di magneti in modo da variare le reciproche azioni. Supponiamo, ad esempio, che la configurazione di partenza preveda la presenza dei magneti posti con orientamento alternato, cioà ̈ in configurazione attrattiva. Con l’ausilio di un tradizionale attuatore, ruotando alternativamente i magneti di 180Ëš, si passa ad una configurazione di repulsione ed i magneti tendono ad allontanarsi producendo forze repulsive F1. Ruotando nuovamente i magneti di 180Ëš per tornare nella configurazione iniziale si ottengono forze di attrazione F2.

La figura 4. mostra il controllo dell’intensità delle forze attraverso la modifica dell’orientamento dei magneti. La regolazione viene effettuata mediante rotazione controllata dei magneti. Le massime forze di attrazione o repulsione possono essere molto intense grazie all’utilizzo di magneti (neodimio) con elevata induzione residua.

Il sistema di recupero energetico garantisce l’equilibratura dei magneti durante la loro rotazione nel passaggio tra le due principali configurazioni, quella di attrazione e di repulsione. Questo permette di fornire solo l’energia utile necessaria alla traslazione dei magneti. Il sistema di recupero energetico può essere realizzato con un generico sistema ad accumulo di energia potenziale; ad esempio, un sistema con elementi elastici consente uno scambio tra energia potenziale magnetica e potenziale elastica. Tipicamente la realizzazione del sistema di recupero energetico à ̈ semplificata dall’andamento della coppia di rotazione dei magneti che risulta in prima approssimazione di tipo sinusoidale. Un esempio à ̈ mostrato in figura 5 a), b), c) nei grafici che rappresentato l’andamento della coppia sui magneti.

Altri sistemi a potenziale per il recupero energetico possono essere costituiti da ulteriori magneti in mutua interazione o camere a volume variabile contenenti gas.

Nella figura 6 Ã ̈ illustrata una prima forma realizzativa di attuatore magnetico secondo l'invenzione sviluppata per un robot acquatico bioispirato capace di nuoto ondulatorio. Le reciproche azioni di attrazione e repulsione consentono la flessione di singoli segmenti o moduli che costituiscono la struttura del robot riproducendo un tipico movimento anguilliforme.

Il robot à ̈ formato da un filamento centrale F flessibile su cui sono calettati una serie di moduli (vertebre) V1, V2 che contengono l’attuatore magnetico.

In questo caso la serie di magneti dell’attuatore à ̈ formata da coppie di magneti permanenti 1.1, 1.2 e 2.1, 2.2 disposti su piani paralleli. Mediante una rotazione di 45 dei magneti di due moduli consecutivi si passa dalla configurazione di equilibrio a quella attiva, in cui due magneti allineati di due coppie consecutive passano in condizione repulsiva, producendo la flessione del robot. L’elemento flessibile F che unisce le due vertebre V1 e V2 consente di riportare le vertebre parallele quando, dopo la flessione, i magneti tornano nella configurazione iniziale di equilibrio. La figura 6 mostra la disposizione dei magneti nelle due configurazioni principali di a) equilibrio e b)attrazione. I contorni tratteggiati intorno ai magneti della singola vertebra,contenente materiale ad alta permeabilità magnetica, indicano che nella prima configurazione il campo generato dai magneti si richiude all’interno della vertebra impedendo la loro interazione. Nella seconda configurazione i due magneti sinistri 1.1 e 2.1 interagiscono producendo l’effetto flessionale massimizzato dall’espansione polare, le linee di campo di quelli destri continuano a chiudersi all’interno della vertebra non partecipando all’azione flessionale.

In figura 7, particolari a), b) e c), à ̈ rappresentata il modulo o vertebra dell’attuatore magnetico in configurazione flessionale in cui à ̈ possibile individuare i componenti essenziali precedentemente descritti con l’aggiunta di alcuni elementi presenti in questo caso specifico.

Due magneti 1.1 e 1.2, di forma cilindrica e magnetizzazione diametrale, sono contenuti all’interno di una struttura in materiale ferromagnetico 2. Questa consente una più facile gestione del campo magnetico attraverso una geometria realizzata per avvolgere i due magneti ed avere due espansioni polari 2a, 2b alle estremità.

La prima caratteristica garantisce la chiusura delle linee di campo, all’interno della vertebra, nella configurazione di equilibrio, consentendo l’isolamento rispetto alle altre vertebre. In questo modo à ̈ possibile ottenere un attuatore stabile, a differenza di quanto noto nella tecnica.

La seconda caratteristica consente, nel passaggio alla configurazione attiva, di concentrare il campo magnetico all’estremità 2a, 2b dei moduli massimizzando l’effetto flessionale.

I due magneti sono inseriti all’interno di cuscinetti 3.1 e 3.2 (figura 7b) in modo da consentire un’agevole rotazione minimizzando le perdite per attrito. I cuscinetti sono realizzati in materiale non ferromagnetico in modo da non influenzare il campo generato dai magneti. Un attuatore 4 dotato di encoder consente di ruotare i magneti e controllarne il loro orientamento; così facendo à ̈ possibile modificare l’intensità della forza in uscita. Il moto viene trasmesso ai due magneti attraverso ruote dentate 5, anch’esse realizzate in materiale non ferromagnetico per non influenzare il campo magnetico.

Il sistema di recupero energetico à ̈ realizzato con due ruote dentate, o ad attrito o pulegge, 6.1 e 6.2 calettate coassialmente sui due magneti, due braccetti 7.1 e 7.2 imperniati sulle rispettive ruote con le loro estremità e due molle 8.1 e 8.2 collegate ai braccetti e parallele tra loro. Le due molle sono montate pretensionate e durante la rotazione dei magneti si accorciano fornendo il momento equilibrante necessario. In questa soluzione le molle forniscono un momento di tipo sinusoidale uguale e opposto a quello dei magneti consentendo un recupero energetico sostanzialmente totale, a meno degli attriti.

Nella forma realizzativa mostrata in figura 8, la serie di magneti prevede elementi magnetizzati diametralmente e disposti su piani paralleli. La contro-rotazione di due gruppi di magneti consente di ottenere forze di attrazione e repulsione. La figura 8 mostra le due configurazioni in condizione di a) attrazione e b) repulsione. Un esempio di attuatore lineare secondo l'invenzione à ̈ mostrato nelle figure 9a e 9b in cui i magneti sono in configurazione attrattiva e repulsiva rispettivamente.

Come mostrato nelle figure da 10 a 13, i magneti sono di forma cilindrica con magnetizzazione diametrale e possono essere suddivisi in due gruppi 10.1 e 10.2. I magneti del primo gruppo 10.1 sono calettati su profili scanalati esterni 11.1 ed i magneti del secondo 10.2 su profili scanalati interni 11.2. Questo montaggio consente la reciproca rotazione e la traslazione dei due gruppi di magneti.

Più in particolare, il profilo scanalato esterno 11.1 à ̈ formato da un corpo tubolare 20 presentante due porzioni coassiali 20a e 20b di diverso diametro, la porzione 20b avendo un diametro esterno tale da poter essere impegnata nella porzione 20a di un corpo tubolare 20 adiacente. Entro la porzione a diametro maggiore sono ricavate scanalature assiali 21, mentre su quella a diametro minore 20b sono ricavate corrispondenti nervature assiali 22. I magneti del gruppo 10.1 sono fissati entro le porzioni a diametro minore 20b dei rispettivi corpi tubolari 20. Ciascun magnete del secondo gruppo 10.2 à ̈ calettato su un rispettivo profilo scanalato interno 11.2 formato da un perno cavo 23 estendentesi assialmente da un lato del magnete e da un perno con sezione a croce 24 estendentesi coassialmente dal lato opposto del magnete. La sezione della cavità del perno 23 à ̈ uguale a quella del perno 24, di modo che il perno 24 estendentesi da un magnete può impegnarsi nella cavità del perno 23 di un magnete adiacente.

I magneti del gruppo 10.1 sono montati liberamente girevoli sui rispettivi perni 23 dei magneti del gruppo 10.2.

Un attuatore a encoder 13 permette di ruotare i magneti e controllarne il reciproco orientamento. Un sistema di riduzione 14 calettato sul motore e con due uscite controrotanti 17.1 e 17.2 trasmette il moto ai due profili scanalati 11.1 e 11.2. A tale scopo l'uscita 17.1 del motoriduttore à ̈ di forma anulare con diametro interno sostanzialmente uguale al diametro esterno della porzione 20b e presenta scanalature interne 25 entro cui si impegnano le nervature 22 di un profilo scanalato esterno 11.1, per consentire la trasmissione del moto rotatorio. L'uscita 17.2 del motoriduttore à ̈ un albero cavo 26 entro cui s'impegna il perno con sezione a croce 24 di un magnete del gruppo 10.2 così da trasmettere il moto rotatorio a questo gruppo di magneti.

Vantaggiosamente, elementi ferromagnetici 15 attorno ai magneti 10.2 possono essere previsti per modificare l’andamento delle linee di campo dall’andamento radiale a assiale, per massimizzare l’efficacia dell’interazione magnetica.

Il sistema di recupero energetico à ̈ costituito da due elementi elastici 16 che agiscono tra le due uscite controrotanti del riduttore, quella esterna 17.1 e quella interna 17.2.

Vantaggiosamente, come mostrato in figura 14, ulteriori elementi elastici 18 possono essere inseriti tra magneti consecutivi allo scopo di:

• modificare la forza in uscita rendendo l’andamento simile a quello degli attuatori naturali (muscoli). Un esempio à ̈ mostrato graficamente in figura 15a,b,c. Nel primo grafico à ̈ possibile individuare l'andamento della forza tra i magneti (in configurazione di attrazione), in funzione della loro posizione. Il secondo rappresenta la forza generata da un sistema elastico, mentre nel terzo à ̈ rappresentata la forza risultante in funzione della distanza tra i magneti.

• stabilizzare l’attuatore in generiche configurazioni. Ad esempio à ̈ possibile equilibrare le configurazioni di repulsione in modo da simulare il rilassamento del muscolo e ottenere un funzionamento solo in condizione di attrazione. In tal modo à ̈ inoltre possibile massimizzare la forza di attrazione che risulta la somma delle interazioni magnetiche e delle forze elastiche. La figura 16.a mostra l’andamento delle forze di attrazione dei magneti senza la presenza di elementi elastici. Per equilibrare l’interazione magnetica in configurazione di repulsione il sistema elastico deve essere realizzato in modo tale da fornire una forza di attrazione che si opponga alle azioni di repulsioni magnetiche. Tale forza, il cui andamento à ̈ mostrato in figura 16.b, à ̈ sostanzialmente uguale a quella di attrazione magnetica. La figura 16.c mostra l’andamento della forza, in configurazione di attrazione, che risulta aumentata grazie all’aggiunta degli elementi elastici. Questa soluzione à ̈ particolarmente utile nel caso in cui si voglia realizzare un attuatore unidirezionale.

L’attuatore magnetico secondo l'invenzione permette di ottenere tutti i vantaggi tipici dei singoli attuatori di tipo noto. Consente di convertire un determinato orientamento dei magneti in una forza in uscita, dunque à ̈ possibile un controllo in forza come nell’attuazione pneumatica, ma con una migliore efficienza; inoltre la mancanza delle perdite idrauliche e la possibilità di recupero energetico garantiscono un rendimento molto vicino a quello del servomotore necessario all’attuazione. Le forze ottenibili sono molto elevate rispetto all’attuazione diretta con forze di Lorentz, pur mantenendo una totale reversibilità. Quest’ultima à ̈ superiore a quella ottenibile nel caso di attuazione pneumatica, affetta dalla presenza di attriti, assenti nel caso della trasmissione di forze con interazioni magnetiche. Infine à ̈ possibile ottenere una maggiore reversibilità rispetto all’attuazione con motoriduttori.

La presenza dei magneti permanenti comporta, rispetto al solo motoriduttore, un aumento del peso dell’attuatore con conseguente riduzione della potenza specifica erogata. Invece, rispetto all’attuazione diretta, sia tramite forza di Lorentz che utilizzando configurazioni a riluttanza variabile, a causa dei bassi rendimenti e delle basse velocità tipiche di questo tipi di attuazione, la potenza specifica in uscita offerta dalla soluzione proposta à ̈ migliore. Infine, anche rispetto alla soluzione fluidica, caratterizzata da modesti rendimenti e da pesanti componenti aggiuntivi, la potenza specifica erogata risulta migliore.

Dalle considerazioni precedenti à ̈ evidente la convenienza di utilizzo dell’attuatore secondo l'invenzione in tutti i casi in cui sia richiesta adattabilità (il settore della robotica à ̈ quello più rappresentativo).

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Attuatore magnetico ad attuazione del tipo adattativo caratterizzato dal fatto di comprendere una serie di magneti permanenti (M) comprendente almeno un primo gruppo di magneti (1.1, 1.2; 10.1) ed un secondo gruppo di magneti (2.1, 2.2; 10.2) spazialmente disposti in modo da poter interagire magneticamente tra loro; mezzi (SM) per orientare i magneti di un gruppo rispetto ai magneti dell'altro gruppo per variare l'interazione reciproca tra di essi; mezzi di accumulo di energia potenziale (RE) collegati ai due gruppi di magneti per recuperare l'energia necessaria all'orientamento dei magneti.
2. 2. Attuatore magnetico secondo la rivendicazione 1, in cui detti gruppi di magneti sono disposti entro supporti (2, 15) di materiale ferromagnetico.
3. 3. Attuatore magnetico secondo le rivendicazioni 1 o 2, in cui detti mezzi di accumulo di energia potenziale comprendono primi mezzi elastici (6.1, 6.2; 16).
4. 4. Attuatore magnetico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui sono previsti secondi mezzi elastici (26) tra detti gruppi di magneti.
5. 5. Attuatore magnetico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta serie di magneti permanenti à ̈ formata da una fila di magneti (10.1, 10.2) a magnetizzazione diametrale disposti allineati e paralleli tra loro, i magneti di detto primo gruppo (10.1) alternandosi in detta fila a quelli di detto secondo gruppo (10.2), essendo previsti mezzi a motore (13) connessi ai magneti di almeno uno di detti gruppi per variarne l'orientamento relativo in modo da passare da una configurazione di mutua attrazione tra i magneti di detto primo e secondo gruppo ad una configurazione di mutua repulsione e viceversa, detti mezzi di accumulo di energia potenziale (16) essendo disposti tra detti due gruppi di magneti.
6. 6. Attuatore magnetico secondo la rivendicazione 5, in cui detti mezzi per orientare i magneti di un gruppo rispetto a quelli dell'altro gruppo comprendono un motore con motoriduttore (14) a due uscite (17.1, 17.2) controrotanti a cui detti due gruppi sono rispettivamente connessi.
7. 7. Attuatore magnetico secondo la rivendicazione 6, in cui ciascun magnete di detto primo gruppo (10.1) di magneti à ̈ fissato entro un rispettivo corpo tubolare (20), ciascuno avente una porzione (20b) impegnabile assialmente, in modo non girevole, entro una corrispondente porzione (20a) di un corpo tubolare (20) adiacente per formare un primo allineamento di corpi tubolari connesso ad una di dette uscite (17.1) controrotanti di detto motoriduttore (14), ed à ̈ montato girevolmente su un perno cavo (23) estendentesi assialmente da un lato di ciascun magnete di detto secondo gruppo (10.2) di magneti, i quali sono alloggiati girevolmente entro detti corpi tubolari (20) e sono collegati tra loro solidalmente alla rotazione attraverso detti perni cavi (23) e corrispondenti appendici (24) impegnantisi in modo non girevole nelle cavità di perni cavi di magneti di detto secondo gruppo adiacenti, per formare un secondo allineamento di magneti di detto secondo gruppo connesso all'altra di dette uscite (17.2) controrotanti di detto motoriduttore.
8. 8. Attuatore magnetico secondo la rivendicazione 7, in cui i magneti di detto primo e di detto secondo gruppo sono almeno parzialmente lateralmente provvisti di un rivestimento (15) di materiale ferromagnetico.
9. 9. Attuatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 7 o 8, in cui ciascuno di detti corpi tubolari à ̈ formato da due porzioni coassiali (20a,20b) di diverso diametro, la porzione di diametro minore (20b) avendo un diametro esterno tale da poter essere impegnata nella porzione di diametro maggiore (20a) di un corpo tubolare (20) adiacente, entro la porzione a diametro maggiore essendo ricavate scanalature assiali (21) interne e su quella a diametro minore essendo ricavate corrispondenti nervature assiali (22) esterne impegnate a scorrimento entro dette scanalature assiali interne.
10. 10. Attuatore magnetico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 9, in cui detti mezzi ad accumulo di energia potenziale sono mezzi elastici (16) disposti tra le due uscite controrotanti (17.1, 17.2) di detto motoriduttore.
11. 11. Attuatore magnetico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 10, in cui secondi mezzi elastici (26) sono disposti assialmente tra i magneti di detto primo gruppo (10.1) e i magneti di detto secondo gruppo (10.2).
12. 12. Attuatore magnetico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui detta serie di magneti permanenti à ̈ formata da due file parallele di magneti (1.1,1.2; 2.1,2.2) a magnetizzazione diametrale disposti secondo coppie di magneti complanari, i magneti di ciascuna coppia essendo allineati a quelli corrispondenti delle coppie adiacenti, mezzi a motore (4) essendo associati a ciascuna coppia per variare l'orientamento di almeno uno dei due magneti della coppia in modo da passare da una configurazione neutra tra i magneti adiacenti (1.1, 2.1) di almeno una delle due file ad una configurazione di mutua attrazione o repulsione e viceversa, i magneti di ciascuna coppia essendo connessi tra loro da detti mezzi ad accumulo di energia potenziale (8.1,8.2), mezzi di connessione flessibile (F) essendo previsti tra due coppie consecutive nella direzione di allineamento dei magneti.
13. 13. Attuatore magnetico secondo la rivendicazione 12, in cui ciascuna coppia di magneti à ̈ alloggiata in una struttura (2) di materiale ferromagnetico definente due espansioni polari (2a,2b).
14. 14. Attuatore magnetico secondo le rivendicazioni 12 o 13, in cui detti primi mezzi elastici sono formati da una coppia di molle (8.1,8.2) pretensionate parallele colleganti i due magneti di ciascuna coppia.