ITFI20100195A1 - Arto robotico continuo bioispirato - Google Patents

Description

TITOLO

ARTO ROBOTICO CONTINUO BIOISPIRATO

DESCRIZIONE

Campo dell’Invenzione

La presente invenzione riguarda in generale le strutture robotiche ed in particolare si riferisce ad un un arto robotico a struttura continua bioispirata.

Stato della tecnica

Come à ̈ noto, il braccio dell'Octopus vulgaris presenta molte caratteristiche interessanti dal punto di vista robotico. Tale braccio à ̈ completamente flessibile e non presenta alcuno scheletro o elemento rigido sia interno che esterno. Queste caratteristiche conferiscono all’animale una mobilità molto elevata e gli permettono di compiere movimenti con infiniti gradi di libertà. Il braccio dell'Octopus à ̈ costituito da un “muscular hydrostat†, densamente riempito di fibre muscolari, disposte secondo una geometria ben definita: muscoli longitudinali, trasversali ed obliqui. I muscoli longitudinali sono disposti assialmente e sono i responsabili dell’accorciamento del braccio; i muscoli trasversali, antagonisti dei longitudinali, sono disposti radialmente e la loro contrazione determina una riduzione della sezione del braccio; la coazione di questi gruppi muscolari permette all’animale di variare la propria rigidezza.

Con il termine inglese "muscolar hydrostat" (nel seguito "struttura idrostatica") si intende una struttura biologica costituita esclusivamente da tessuti molli (principalmente muscoli) e priva quindi di un supporto scheletrico rigido. Nonostante ciò questa struttura ha la capacità di deformarsi (allungamento, accorciamento e piega omnidirezionale), di modificare la sua rigidezza e di produrre notevoli forze grazie alla particolare disposizione delle sue fibre muscolari che hanno azione antagonista. Questo sistema muscolare inoltre funge da scheletro modificabile e permette la trasformazione di forza in movimento. La struttura risulta essere isovolumetrica, poiché non c’à ̈ scambio di liquidi con l’ambiente esterno.

Tra gli esempi di strutture idrostatiche bioispirate, Vaidyanathan R. et al., (A hydrostatic robot for marine applications, Robotics and Autonomous Systems, 2000, 30103-113) descrive un dispositivo robotico composto da una serie di sfere di silicone riempite di fluido e movimentata con molle di SMA ispirato all’anatomia di un bruco. Y.

Liang. et al., (A finite element simulation scheme for biological muscular hydrostats, Journal of Theoretical Biology, 242, 2006, 142-150) conduce una simulazione agli elementi finiti di un tentacolo di seppia e altre strutture idrostatiche che simulano l’azione reciproca dei vari muscoli e delle loro caratteristiche attive e passive

Le strutture robotiche articolate sono in genere utilizzate per la realizzazione di arti robotici quali ad esempio bracci manipolatori. Strutture di questo tipo sono ampiamente note e costituite da parti meccaniche rigide connesse tra loro da giunti che conferiscono alla struttura i richiesti gradi di libertà. Sarebbe per altro molto apprezzato poter disporre di un braccio robotico completamente soft (quindi cedevole, altamente deformabile e intrinsecamente sicuro) per compiere movimenti, produrre forze e manipolare oggetti anche in ambienti particolarmente complessi dove à ̈ necessario un alto numero di gradi di libertà.

Il problema tecnico che la presente invenzione affronta à ̈ quindi quello di realizzare un arto robotico con una struttura isovolumetrica senza giunti (quindi continua) o parti meccaniche rigide (quindi soft), ispirata al braccio dell’Octopus vulgaris in grado di effettuare allungamento passivo (dovuto alla sola strizione trasversale), accorciamento, flessione ed irrigidimento selettivo di una parte della struttura.

Scopi e sintesi dell’invenzione

Lo scopo generale della presente invenzione à ̈ quindi quello di fornire un arto robotico ispirato al tentacolo di un polpo in modo da presentare una configurazione sostanzialmente continua.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ di fornire un arto robotico del tipo summenzionato che possa sostituire gli attuali manipolatori noti basati su principi di robotica tradizionale e composti principalmente di snodi e parti rigide.

Secondo la presente invenzione, per replicare artificialmente il “muscular hydrostat†di un arto biologico riproducendone le prestazioni da un punto di vista strutturale e funzionale, sono stati utilizzati materiali estremamente soffici, che permettono di avvicinarsi a quelle che sono le caratteristiche meccaniche del tessuto biologico. In particolare sono stati impiegati materiali sostanzialmente viscoelastici quale silicone o elastomeri con proprietà viscoelastiche simili al silicone o in genere polimeri a basso modulo di Young (dell'ordine delle decine di kPa) che possono essere soggetti a grosse deformazioni (>500%) senza subire deformazioni permanenti. Inoltre sono stati previsti elementi contrattili artificiali disposti in senso longitudinale e trasversale per replicare la funzione svolta dalle fibre muscolari presenti nell'arto biologico, L’isovolumetricità viene sfruttata per avere un allungamento passivo dell’intera struttura, generato da una riduzione del diametro per effetto di una contrazione trasversale. La contrazione longitudinale à ̈ invece sfruttata per l’accorciamento (attivazione simultanea di più unità longitudinali), per il movimento di flessione (attivazione di una sola unità longitudinale) e per l’irrigidimento della struttura (co-contrazione con le unità trasversali).

Secondo un aspetto essenziale della presente invenzione l’arto robotico comprende un involucro tubolare chiuso in materiale sostanzialmente viscoelastico definente una camera che contiene un fluido incomprimibile, detto involucro incorporando una guaina formata da fili intrecciati sostanzialmente inestensibili, entro detta camera essendo previsti gruppi di attuatori trasversali spaziati assialmente tra loro connessi a detta guaina e atti a contrarre in modo reversibile almeno parzialmente detto involucro in direzione radiale, a ciascun gruppo di detti attuatori trasversali essendo connessi mezzi attuatori longitudinali atti a contrarre in modo reversibile almeno parzialmente detto involucro in direzione assiale.

In una forma realizzativa preferita dell’invenzione ciascun gruppo di attuatori trasversali comprende una pluralità di molle in lega a memoria di forma (SMA) elettricamente alimentate estendentisi radialmente da un comune supporto centrale e agganciate a detta guaina.

Breve descrizione dei disegni

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'arto robotico secondo la presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione che segue di una sua forma realizzativa fatta a titolo esemplificativo e non limitativo con riferimento ai disegni annessi in cui: la figura 1 à ̈ una vista schematica dell'arto robotico secondo l’invenzione, in cui sono mostrati gli elementi fondamentali per il suo funzionamento;

la figura 2 Ã ̈ uno spaccato prospettico dell'arto di figura 1;

la figura 3 à ̈ una sezione trasversale dell'arto secondo l’invenzione in corrispondenza di un gruppo di attuatori trasversali;

la figura 4 à ̈ una sezione longitudinale dell'arto secondo l’invenzione in corrispondenza di un gruppo di attuatori trasversali;

la figura 5a, 5b, 5c, 5d illustra possibili comportamenti ottenibili con una attivazione selettiva degli attuatori (le frecce indicano gli elementi attivi e la direzione di applicazione della forza): irrigidimento (Fig.5a), accorciamento (Fig.5b), allungamento (Fig.5c), flessione (Fig.5d);

la figura 6 illustra schematicamente in sezione longitudinale un'altra forme realizzativa dell'invenzione in cui l'arto robotico presenta una sezione variabile.

Descrizione dettagliata dell’invenzione

Con riferimento alle figure 1 e 2, in esse à ̈ illustrato in modo schematico un arto robotico secondo la presente invenzione. L'arto, indicato genericamente con 1, presenta una geometria cilindrica cava costituita da un involucro tubolare 2 di silicone, nel quale à ̈ inglobata una guaina intrecciata 3 replicante il tessuto connettivo del braccio dell’Octopus. L’involucro tubolare 2 à ̈ chiuso alle estremità e delimita una camera 4 riempita con un fluido incomprimibile F che garantisce l’isovolumetricità della struttura e favorisce il raffreddamento degli attuatori. Il ruolo dell’involucro siliconico à ̈ quello di garantire continuità alla struttura e contenere il liquido interno. La guaina intrecciata 3 può essere posizionata o all'interno della parete formante l'involucro tubolare 2 o in prossimità delle sue superfici interna o esterna, come nella forma realizzativa qui illustrata.

All’interno della camera 4 delimitata dall’involucro 2 sono disposti attuatori trasversali, genericamente indicati con 5 in figura 1, disposti in maniera radiale, e attuatori longitudinali, genericamente indicati con 6 in figura 1, disposti in maniera assiale.

In particolare, con riferimento alla figura 2, gli attuatori trasversali 5, studiati come elementi contrattili trasversali, sono costituiti da molle 7 in lega a memoria di forma (SMA) e più precisamente nella presente forma realizzativa dell’invenzione sono formati da gruppi di otto molle integrate nella medesima sezione trasversale dell’arto robotico e disposte in modo radialmente equispaziato. Nelle figure 1 e 2 sono indicativamente schematizzati tre gruppi di molle 7, ma à ̈ evidente che il numero di gruppi può essere diverso in funzione anche della lunghezza dell’arto robotico. Una sorgente di energia elettrica, schematicamente indicata con 13 in figura 1, alimenta ciascun gruppo di molle 7 attraverso cavi 14.

In prossimità dell’asse dell’arto robotico 1 à ̈ previsto un anello centrale 8 a cui sono fissate le molle 7 dell’attuatore 5. Ciascuna molla à ̈ poi fissata a elementi di aggancio esterni 9 sostanzialmente rigidi di materiale isolante, fissati alla guaina intrecciata 3, visibili nelle figure 3 e 4, che permettono di trasmettere e distribuire uniformemente le forze esercitate dalle molle alla guaina e quindi a tutta la superficie esterna. In particolare gli elementi di aggancio 9 sono formati da placchette fissate alla superficie esterna dell'involucro siliconico 2 attraverso le quali à ̈ fatto passare il filo delle molle 7.

Nella forma realizzativa illustrata ciascun gruppo di otto molle 7 à ̈ realizzato da un unico filo, per cui le molle risultano elettricamente in serie, ma meccanicamente in parallelo. Ciascun gruppo di molle 7 così configurato può essere realizzato avvolgendo il filo su anime di metallo e bloccandolo meccanicamente alle estremità di ogni molla. La memorizzazione delle molle avviene in fornace. Il filo lasciato tra una molla e l'altra serve da aggancio all'anello centrale 8 ed agli elementi di aggancio esterni 9.

A titolo di esempio, le molle formate hanno le seguenti caratteristiche: diametro del filo: 0,2 mm; diametro interno della molla: 1 mm; spring index (rapporto tra diametro medio della molla e diametro del filo): 6, numero di spire: 6.

Con riferimento alla figura 4, l’attuazione longitudinale à ̈ realizzata mediante fili 10 costituiti da fibre di polietilene ad alto peso molecolare che scorrono all’interno di guaine di silicone 11 interamente inglobate nell’involucro siliconico 2 fino ad uscire dalla base dell’arto 1 dove sono collegati a servomotori, schematicamente indicati con 12 in figura 1. Ad ogni gruppo di molle 7 sono collegati quattro fili longitudinali 10 equispaziati, fissati meccanicamente agli elementi di aggancio esterni 9 per l’aggancio delle molle 7. Nella stessa figura 3, sono anche indicati con 10a, 11a i fili e le rispettive guaine che si connettono ad un gruppo di molle 7 assialmente successivo.

La guaina intrecciata 3 à ̈ formata, nella presente forma realizzativa dell’invenzione, da fili 13 di PET inestensibili e intrecciati, le cui proprietà funzionali intrinseche sono determinate dall’angolo formato dai fili che compongono la guaina stessa con la generatrice dell’involucro siliconico 2. Esiste una relazione geometrica che lega questo angolo, il diametro della guaina e la sua lunghezza, per cui al variare dell'angolo corrisponde una riduzione di diametro e un allungamento della struttura tubolare determinati.. Il vantaggio che l’introduzione di questa guaina apporta sta nel fatto che una riduzione del diametro dell’arto viene più facilmente tradotta in un allungamento e nello stesso tempo la sezione trasversale mantiene una forma circolare.

Il materiale che costituisce la guaina à ̈ scelto in modo da possedere una rigidezza sufficiente a mantenere la forma cilindrica quando una forza à ̈ applicata radialmente e altri tipi di tessitura-intreccio (tipo l’intreccio a maglia) non possono essere usati perché non avrebbero le stesse capacità di allungamento passivo. La caratteristica fondamentale di questo tipo di intreccio à ̈ infatti la disposizione elicoidale della fibra lungo la struttura. Le uniche variabili supportabili sono: la presenza di fasci di fili al posto di singoli fili e diverse architetture di intreccio: Hercules (ogni filo o fascio di fili passa sopra e sotto altri 3 fili o fasci di fili ad ogni passaggio), regular (sopra e sotto altri 2) o diamond (sopra e sotto ognuno).

Le molle 7 in SMA vengono attivate con il calore prodotto per effetto Joule dal passaggio di corrente nel filo in SMA costituente le molle 7. L’attivazione delle molle provoca una contrazione circonferenziale continua e un allungamento dell’arto 1 dovuti alla presenza della guaina intrecciata 3 che evita la formazione di discontinuità, altrimenti generate dalla connessione tra le singole molle e la parete dell’involucro siliconico 2, e allo stesso tempo crea una componente longitudinale responsabile dell’allungamento.

Il controllo della potenza trasmessa alle molle 7 avviene con un PWM calibrato in modo da evitare il surriscaldamento della lega, ed ogni gruppo di molle dell’arto 1 può essere attivato indipendentemente. Le molle 7 di ciascun gruppo formante una sezione trasversale contrattile sono attivate contemporaneamente essendo elettricamente in serie. In una possibile variante realizzativa le molle 7 possono essere attivate selettivamente. In questo caso le molle non sono formate da un unico filo, ma sono fabbricate a coppie di due e agganciate esternamente al filo tra le due molle e internamente all’anello centrale 8 con le loro due estremità. Da un lato questo porta ad una maggiore versatilità ed alla possibilità di usare sinergicamente singole molle trasversali e cavi longitudinali per modulare l’ampiezza delle flessioni, ma dall’altro introduce la necessità di usare un maggior numero di collegamenti elettrici.

Nella parte centrale dell’arto robotico 1 sono disposti i cavi 14 per l’alimentazione degli attuatori e di alcuni sensori, non mostrati, (ad esempio sensori ad effetto Hall) immersi nello stesso fluido F o, alternativamente, in un’anima centrale siliconica, non mostrata. I sensori disposti all’interno della struttura servono per valutare la funzionalità delle molle e misurarne la contrazione.

Per ridurre il tempo di attivazione in ambiente termicamente molto dissipativo il filo costituente le molle 7 e i cavi 14 formati dal medesimo filo in SMA sono rivestiti con una guaina termo-restringente 15 in PTFE (spessore 50 µm), Questa guaina permette di mantenere il tempo di attivazione intorno ad 1s con minor dispendio energetico, garantendo comunque un rapido raffreddamento (dipendente dalle proprietà termiche del liquido dissipativo). L’impiego della guaina ha un duplice vantaggio, quello di incrementare il raggio del filo (aumentando la superficie di scambio termico in fase di raffreddamento) e di isolare termicamente il filo in fase di riscaldamento.

La presente invenzione consente di ottenere una struttura continua di arto robotico e con vincoli rigidi estremamente limitati in grado di modificare la sua rigidezza e produrre movimenti di accorciamento, allungamento e flessione, come mostrato nelle figure 5a, 5b, 5c e 5d.. In particolare nella figura 5a à ̈ illustrato l’allungamento e la contrazione radiale risultanti da una contemporanea attivazione degli attuatori trasversali e longitudinali per generare un sostanziale irrigidimento dell’arto; la figura 5b illustra l’accorciamento o contrazione assiale derivante dall’attivazione dei soli attuatori longitudinali; la figura 5c illustra l’effetto di contrazione radiale derivante dall’attivazione dei soli attuatori trasversali; la figura 5d illustra un effetto di flessione derivante dall’attivazione degli attuatori trasversali e da un’attivazione selettiva di quelli longitudinali.

Benché ogni gruppo di molle sia controllabile indipendentemente dagli altri, in virtù della continuità della struttura, ogni forza e deformazione applicata si distribuisce su tutta la struttura. Un particolare vantaggio à ̈ che questo dispositivo permette un allungamento passivo prodotto dalla sola riduzione del diametro della struttura.

I vantaggi rispetto alle tecnologie esistenti sono la sostanziale assenza di elementi rigidi, che rende la struttura del tutto “soft†, la continuità dell’attuazione, che consente una elevata mobilità e lo sfruttamento delle proprietà passive dei materiali, che permette di avere un controllo molto più snello ed un intelligente utilizzo di quelle che sono le forze in gioco all’interno della struttura.

È inoltre possibile sfruttare la struttura in più moduli, con materiali e geometrie diverse dando luogo ad una serie di combinazioni che possono privilegiare caratteristiche diverse. Ad esempio si possono impilare moduli con elastomeri che presentano differenti proprietà elastiche (creando delle parti di arto più flessibili intervallate da altre più rigide) oppure la guaina intrecciata potrebbe presentare delle discontinuità che gli conferirebbero delle capacità di piegamento in direzioni preferenziali. Inoltre il numero e la disposizione degli elementi attuatori potrebbe permettere dei controlli locali più fini per poter venire incontro ad eventuali applicazioni specifiche. Le possibilità di integrazione di moduli di differente natura può infine riguardare degli elementi rigidi (ove necessario) come strutture particolari o strumenti di vario tipo

Un arto robotico realizzato con la struttura robotica bioispirata secondo la presente invenzione à ̈ adatto ad esercitare forze di trazione e compressione, à ̈ in grado di afferrare e manipolare oggetti e di lavorare in spazi ristretti, visto che à ̈ costituito da elementi morbidi capaci di comprimersi e di adattarsi all’ambiente circostante.

Le caratteristiche innovative dell’arto robotico secondo la presente invenzione lo rendono adatto a svolgere molti compiti in ambito industriale. Dato che la maggior parte dei materiali utilizzati hanno una densità prossima a quella dell’acqua, vi sono indubbi vantaggi sia per utilizzi sottomarini (dove mantiene un assetto neutro) che per altri utilizzi (dove questa proprietà si traduce in una elevata leggerezza). L’arto robotico potrebbe quindi anche essere utilizzato per applicazioni spaziali, dove peso ed ingombro sono determinanti ed hanno un’elevata incidenza sui costi.

Per la sofficità dei materiali utilizzati, l’arto robotico secondo la presente invenzione può essere utilizzato in tutti i settori industriali dove la delicatezza della manipolazione à ̈ fondamentale, come il trattamento di generi alimentari, la gestione di manufatti in archeologia (subacquea e non), la movimentazione di materiale medicale nonché in interventi di chirurgia mini-invasiva, ed altre applicazioni. La possibilità di comprimersi rende l’arto robotico secondo la presente invenzione molto adatto a tutti quegli ambienti difficilmente raggiungibili, con vie di accesso molto ridotte, dove però à ̈ richiesta una grande mobilità, come nella pulizia di tubazioni, silos, serbatoi e cisterne oppure nella rimozione di macerie o ricerca di persone in zone colpite da calamità naturali. Inoltre l’arto robotico secondo la presente invenzione può essere semplicemente usato come attuatore lineare capace di esercitare forze sia di trazione che di compressione.

Più moduli di diametro progressivamente variabile possono essere uniti tra loro assialmente per creare la caratteristica struttura di un tentacolo. Preferibilmente il collegamento tra i diversi moduli avviene in modo continuo per mezzo della guaina intrecciata e dell’involucro siliconico, come mostrato in figura 6. In fase di fabbricazione i vari gruppi di attuatori trasversali vengono connessi alla guaina intrecciata esterna, mentre l’involucro esterno in silicone funge da connessione ulteriore per tutta la struttura.

Varianti e/o modifiche possono essere apportate all’arto robotico bioispirato secondo la presente invenzione senza per questo uscire dall’ambito protettivo dell’invenzione medesima come definita nelle annesse rivendicazioni.

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Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Arto robotico caratterizzato dal fatto di comprendere un involucro tubolare (2) chiuso in materiale viscoelastico definente una camera (4) contenente un fluido incomprimibile (F), detto involucro (2) incorporando una guaina (3) formata da fili intrecciati sostanzialmente inestensibili, entro detta camera essendo previsti gruppi di attuatori trasversali (5) spaziati assialmente tra loro connessi a detta guaina (3) e atti a contrarre in modo reversibile almeno parzialmente detto involucro (2) in direzione radiale, a ciascun gruppo di detti attuatori trasversali (5) essendo connessi mezzi attuatori longitudinali (6) atti a contrarre in modo reversibile almeno parzialmente detto involucro in direzione assiale.
2. 2. L’arto robotico secondo la rivendicazione 1, in cui ciascun gruppo di attuatori trasversali (5) comprende una pluralità di molle (7) in lega a memoria di forma (SMA) collegabili ad una sorgente di energia elettrica (13), estendentisi radialmente da un comune supporto centrale (8) e agganciate a detta guaina (3).
3. 3. L’arto robotico secondo la rivendicazione 2, in cui detta pluralità di molle à ̈ realizzata da un unico filo in SMA, le porzioni di filo tra una molla e l’altra essendo connesse a detto supporto centrale (8) e a elementi di aggancio esterni (9) fissati a detta guaina (3).
4. 4. L’arto robotico secondo la rivendicazione 2, in cui detta pluralità di molle à ̈ formata da coppie di molle realizzate da un unico filo in SMA, la porzione di filo tra le due molle di ciascuna coppia essendo connessa a detti elementi di aggancio esterni (9), le due estremità del filo essendo connesse a detto supporto centrale (8).
5. 5. L'arto robotico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi attuatori longitudinali (6) comprendono fili di comando (10) estendentisi lungo detto involucro in posizione sostanzialmente equispaziata angolarmente e connessi a detti attuatori trasversali e a mezzi a motore (12) per la trazione reversibile, selettiva o contemporanea, di detti fili.
6. 6. L'arto robotico secondo la rivendicazione 5, in cui ciascun gruppo di molle (7) Ã ̈ dotato di rispettivi mezzi attuatori longitudinali (6) comprendenti detti fili di comando (10) connessi agli elementi di aggancio (9) esterni delle rispettive molle (7).
7. 7. L'arto robotico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 6, in cui detto supporto centrale delle molle di ciascun gruppo di molle à ̈ un anello sostanzialmente coassiale a detto involucro (2).
8. 8. L'arto robotico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascun gruppo di attuatori trasversali (5) comprende una pluralità di molle (7) formate da almeno un filo in lega a memoria di forma (SMA) rivestito con una guaina termo restringente.
9. 9. L'arto robotico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi attuatori longitudinali (6) comprendono fili di comando (10) rivestiti da una guaina siliconica (11).
10. 10. L'arto robotico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto involucro tubolare (2) presenta una sezione variabile.
11. 11. L'arto robotico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti attuatori trasversali (5) e detti mezzi attuatori longitudinali (6) sono atti ad essere singolarmente attivati per produrre un allungamento dell'arto o, rispettivamente, un suo accorciamento, o ad essere attivati contemporaneamente per produrre un irrigidimento dell'arto.
12. 12. L'arto robotico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 10, in cui detti mezzi attuatori longitudinali (6) sono atti ad essere attivati selettivamente per produrre una flessione di detto arto.