ITFI20130156A1

ITFI20130156A1 - Molla torsionale

Info

Publication number: ITFI20130156A1
Application number: IT000156A
Authority: IT
Inventors: Maria Chiara Carrozza; Marco Cempini; Francesco Giovacchini; Nicola Vitiello
Original assignee: Scuola Superiore Sant Anna
Priority date: 2013-07-01
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2015-01-02
Also published as: MX2015017759A; CN105431647B; CA2916147A1; RU2648486C2; US20160215827A1; EP3017208B1; EP3017208A1; CN105431647A; US10948022B2; WO2015001469A1; MX366446B; HK1221497A1; RU2016102966A; US20180209484A1; CA2916147C; US9951823B2; BR112015033057A2

Description

MOLLA TORSIONALE

DESCRIZIONE

Settore tecnico dell’invenzione

The work leading to this invention has received funding from the European Union Seventh Framework Programme FP7/2007-2013, within the framework of the CYBERLEGs Project, grant agreement n° 287894.

Il lavoro di ricerca che ha portato a questa invenzione ha ricevuto un finanziamento dal Settimo Programma Quadro dell'Unione Europea FP7/2007-2013, nell'ambito del Progetto CYBERLEGs, accordo di finanziamento n.287894.

La presente invenzione ha per oggetto una nuova configurazione di molla torsionale utilizzabile in particolare come giunto atto a trasmettere un’attuazione di torsione con risposta elastica.

Sfondo dell’invenzione

In ambito robotico, ed in particolare nella robotica indossabile, è frequente ([2], [3], [4], [5]) l’utilizzo di attuatori elastici in cui un elemento elastico è appunto disposto tra l’attuatore e l’elemento meccanico attuato [1]. Come ad esempio descritto nel brevetto statunitense n. US5910720, molteplici sono le motivazioni che stanno alla base dell'utilizzo di questo tipo di attuazione in special modo in robotica. Essa comporta in definitiva una serie di vantaggi riassumibili nei seguenti punti:

- bassa impedenza di uscita sull'intero spettro di frequenza;

- possibilità di controllare via software l'impedenza di uscita;

- riduzione del consumo energetico;

- elevato rapporto forza/massa;

- elevato rapporto potenza/massa;

- intrinseca complianza in caso di impatto.

Questi tipi di attuatore possono essere lineari o rotativi. Entrambe le tipologie di attuatore possono essere implementate con elementi elastici (generalmente molle o assemblati in cui sono presenti molle) lineari o torsionali.

Una delle criticità nell’implementazione di questo tipo di attuatori è proprio la scelta e la realizzazione dell’elemento elastico.

Le principali specifiche, che variano in funzione dell’applicazione per cui vengono impiegati gli attuatori, che caratterizzano un elemento elastico da impiegare in un attuatore elastico sono:

- Rigidezza;

- Carico massimo ammissibile;

- Rotazione o spostamento ammissibili;

- Peso;

- Ingombro (forma).

Facendo riferimento al caso di attuatori rotativi, il cui campo forma più specifico oggetto della presente invenzione, e quindi ad elementi elastici in cui si verifica la trasmissione di una sollecitazione torsionale, la tecnica nota prevede diverse soluzioni realizzative.

In generale un elemento elastico torsionale può essere ottenuto utilizzando uno dei seguenti elementi:

- Molla torsionale ad elica a filo;

- Molla torsionale ad elica lavorata da pieno (machined spring);

- Molla torsionale a spirale;

- Cinematismo che converte l'azione di molle lineari in una risposta torsionale; - Elemento custom a risposta torsionale;

L'utilizzo di molle torsionali ad elica a filo comporta i seguenti problemi:

- Rigidezze basse rispetto alle necessità derivanti dalle applicazioni robotiche; - Difficoltà di interfacciamento con gli elementi in serie con essa. La coppia viene trasmessa mediante contatto tra un elemento ed il filo della molla che, nel caso di alte deformazioni, striscerà sulla superficie di contatto con il primo;

- Difficoltà nell'ottenimento della bidirezionalità della risposta. Per ottenere un elemento capace di funzionare in entrambi i sensi di rotazione è necessario realizzare un meccanismo dotato di almeno due molle con conseguente aumento di complessità, massa e dimensioni;

- Contatto tra spire durante il moto;

- Elevato ingombro radiale causato dalla presenza dei bracci di leva della molla. Le "machined springs" [10] utilizzate come molle torsionali superano alcuni degli inconvenienti sopra elencati. Nello specifico si tratta di cilindri metallici in cui viene praticata una cava elicoidale ad uno o più principi e che assume quindi la forma di un'elica.

Uno dei principali vantaggi di questo tipo di molle è la possibilità di realizzare le loro estremità (preposte ad essere le zone di interfaccia con gli elementi ai quali si fissano) con forme diverse e dotate di sistemi di fissaggio che permettano di realizzare accoppiamenti diversi (fori filettati, estremità filettate, profili scanalati ecc.).

Come le molle a filo queste molle hanno tuttavia una direzione preferenziale di rotazione e ciò ne rende non indicato l'utilizzo nelle applicazioni in cui sia prevista l'applicazione di coppia in entrambe le direzioni di rotazione e sia necessaria una risposta torsionale identica in entrambe le situazioni.

Anche l'utilizzo di molle a spirale permette di superare alcuni inconvenienti delle molle a elica a filo mantenendo tuttavia l'impossibilità di ottenere una risposta bidirezionale senza utilizzare più di una molla ed un meccanismo di collegamento.

Utilizzando molle lineari in un assemblato, che ne converte la risposta lineare in una risposta in uscita torsionale, è possibile ottenere una risposta bidirezionale con caratteristiche di rigidezza e coppia trasmissibile volute. Gli inconvenienti legati a questo tipo di realizzazione sono legati principalmente al grande ingombro necessario all'implementazione dell'intero assieme.

Tra gli esempi noti di molle torsionali realizzate a partire da un elemento metallico opportunamente lavorato, al fine di conferire all'elemento le proprietà desiderate, viene descritto in [6] un attuatore elastico impiegato nella riabilitazione del cammino. L'elemento elastico utilizzato all'interno dell'attuatore è ottenuto da un corpo di acciaio piastriforme in cui sono realizzate due cave a spirale. L'elemento presenta alcuni problemi legati all'isteresi, al contatto tra le spire che limita il carico applicabile ed alla relativamente elevata discrepanza tra la rigidezza simulata con analisi FEM e la rigidezza reale.

Una soluzione realizzativa analoga a quella descritta sopra si ritrova in [7]. La forma dell'elemento elastico è del tutto simile alla precedente pur con una rigidezza torsionale incrementata e il tentativo di superare i problemi legati all'isteresi e al contatto tra spire. In [8] è descritta una molla simile alle precedenti utilizzata in un attuatore idro-elastico per la riabilitazione dell'arto superiore.

Un altro tipo di molla torsionale realizzata per lavorazione di un elemento di acciaio viene descritta in [9]; in questo caso un disco metallico viene scavato fino ad ottenere dei raggi in spire laminari che uniscono un mozzo e un cerchio esterno. Questo elemento, essendo appunto discoidale, ha un elevato rapporto diametro/spessore. La coppia massima applicabile è limitata dal sopraggiungere del contatto tra le spire.

Nella pubblicazione brevettuale WO2008US61560 è descritto un elemento torsionale in cui la risposta elastica è ottenuta mediante la congiunzione di due flange parallele con elementi a "S". Gli elementi di congiunzione delle due flange sono barre piegate e fissate agli elementi di ingresso e uscita della coppia nel sistema. Secondo una variante semplificata, mostrata in US20070698811, la connessione tra le flange di ingresso e uscita della coppia è realizzata con barre dritte e non piegate a "S". Si tratta di sistemi complessi che prevedono l’assemblaggio di una molteplicità di parti il che implica diverse complicazioni. È necessario che i collegamenti tra gli elementi siano stabili e privi di gioco, onde evitare una modalità di trasferimento (caratteristica angolocoppia) di coppia non ripetibile o diversa dalla desiderata e la comparsa di sollecitazione non previste e potenzialmente arrecanti danni alla struttura. Inoltre la lavorazione di tutti gli elementi deve essere estremamente precisa per evitare che conseguentemente all'assemblaggio compaiano sollecitazioni residue che possono modificare la caratteristica dell'elemento elastico o ridurne la resistenza.

Ancora, il già citato brevetto US5910720 mostra una molla torsionale realizzata con un elemento avente sezione a croce, e dunque l'utilizzo di piastre come elementi base per il trasferimento della coppia. La croce rappresenta tuttavia una sorta di configurazione di piastre in "parallelo", il che richiede, al fine di ottenere un elevato rapporto coppia trasmissibile/rigidezza, cioè alta coppia trasmissibile ma rigidezza limitata (alta deformabilità), l’utilizzo di spessori molto sottili (eccessive sollecitazioni) o l'incremento della dimensione longitudinale dell'oggetto (eccessivo ingombro).

Sintesi dell’invenzione

Lo scopo della presente invenzione è quello di fornire un elemento elastico torsionale compatto, dotato di caratteristica angolo-coppia lineare e indipendente dal senso di rotazione, che sia semplice da realizzare, permetta di evitare contatti indesiderati tra le parti, abbia elevata interfacciabilità con gli elementi a cui deve essere connessa, e consegua un’elevata coppia trasmissibile in rapporto al peso ed all'ingombro.

Questi ed altri scopi sono raggiunti dalla molla torsionale secondo la presente invenzione, le cui caratteristiche essenziali sono definite nella prima delle rivendicazioni annesse. Ulteriori importanti caratteristiche sono definite dalle rivendicazioni dipendenti.

Breve descrizione dei disegni

Le caratteristiche e i vantaggi della molla torsionale secondo la presente invenzione risulteranno più chiaramente dalla descrizione che segue di sue forme realizzative fatta a titolo esemplificativo e non limitativo con riferimento ai disegni annessi in cui:

- la figura 1 mostra in vista assonometrica uno schema concettuale della struttura dell’invenzione, che contestualmente ne rappresenta anche una prima e basilare forma realizzativa;

- la figura 2 mostra in vista assonometrica una seconda forma realizzativa della molla secondo l’invenzione;

- la figura 3 è una vista laterale della molla di figura 2;

- la figura 4 è una vista in sezione della molla secondo le frecce IV-IV di figura 3; e

- la figura 5 è una vista in sezione della molla secondo le frecce V-V di figura 4.

Descrizione dettagliata dell’invenzione

Con riferimento a dette figure, l’elemento elastico secondo l’invenzione è rappresentato da un elemento tipicamente metallico che, grazie ad una opportuna lavorazione, assume le caratteristiche di una molla torsionale con proprietà di rigidezza e coppia trasmissibile desiderate. Tipicamente, a partire da un corpo monolitico pieno viene asportato materiale in modo da realizzare una distribuzione di cave, secondo quanto verrà chiarito di seguito.

Prendendo in particolare a riferimento per il momento la sola figura 1, si consideri un corpo 1, in questo caso di forma parallelepipeda, e si consideri un asse X che attraversa centralmente il corpo e che rappresenta l’asse di fulcro della coppia o momento torcente che è destinato ad essere scambiato (tra attuatore e carico) a mezzo del corpo stesso. Tale asse sarà fisicamente definito come congiungente di due attacchi contrapposti ricavati sul corpo o associati a esso, in questo caso non mostrati, appunto per connettere il corpo stesso all’attuatore e all’elemento attuato, a loro volta non rappresentati e con l’ausilio di opportuni cuscinetti per isolare il corpo da qualsiasi sollecitazione diversa dalla sollecitazione torsionale. Le facce contrapposte corrispondenti ai lati di attacco sono indicate con 1a e 1b.

Secondo l’invenzione, si prevede che il corpo 1 sia interessato da cave 2, 3 evolventi principalmente secondo piani A aventi relazione di parallelismo rispetto all’asse X, che nel caso di forma parallelepipeda possono anche essere identificati come paralleli tra loro e alle facce laterali del parallelepipedo. Preferibilmente la distribuzione di cave 2, 3 ha una simmetria rispetto a un piano ortogonale ai piani A e passante per l’asse X, ed inoltre una sostanziale simmetria, da un punto di vista dimensionale, rispetto a un piano ortogonale ai piani A e passante per la mezzeria del corpo 1 (mezzeria intesa rispetto all’estensione lungo l’asse di torsione X).

Sempre secondo la soluzione preferita le cave 2, 3 sono passanti, cioè aperte su tre lati ove il lato di chiusura è, per le varie cave parallele e sovrapposte, di volta in volta e alternativamente sulle facce di attacco 1a e 1b. Le cave 2 sono appunto quelle chiuse sul lato 1a, mentre le cave 3 sono quelle chiuse sul lato opposto. In pratica, per effetto di tale configurazione, il corpo 1 va ad assumere una forma evolvente a serpentina, ove sezionato ortogonalmente ai piani A e alle due facce 1a, 1b, determinata da segmenti piastriformi 11 distanziati dallo spessore (misura in senso ortogonale ai piani A) delle cave 2, 3. I collegamenti tra i segmenti 11, che materializzano la chiusura delle cave sui lati 1a, 1b, sono indicati con 12.

Il comportamento torsionale risultante è in definitiva assimilabile a quello di una piastra di lunghezza pari alla somma delle lunghezze (lungo X) dei vari segmenti piastriformi 11, ma con la differenza che i collegamenti 12 irrigidiscono la struttura rispetto alla piastra equivalente. Un'ulteriore differenza nella risposta è data dal fatto che in una ipotetica molla equivalente realizzata con una piastra unica il materiale si trova interamente a cavallo dell'asse di torsione, mentre nel caso della serpentina i segmenti piastriformi più periferici si trovano in uno stato di sollecitazione non puramente torsionale e provocano una risposta globale più rigida.

La compattezza della struttura ottenuta, soprattutto in direzione assiale, è poi di per sé un sostanziale vantaggio, la rigidezza desiderata essendo ottimizzabile agendo su vari parametri geometrici quali in particolare lo spessore dei segmenti 11, la loro dimensione in altezza, cioè sui piani A ortogonalmente a X, e la dimensione in lunghezza, cioè sui piani A parallelamente a X. In particolare, la rigidezza dell'elemento aumenta con l'aumentare dello spessore e della loro altezza e diminuisce con l'aumentare della lunghezza assiale dell'intera struttura.

Ovviamente una variabile fondamentale per l'ottenimento delle caratteristiche desiderate è il materiale utilizzato; i materiali più adatti sono i materiali metallici utilizzati in genere per le costruzioni meccaniche. Tra di essi l’acciaio, le leghe di alluminio e le leghe di titanio. Primariamente si può individuare nel modulo di Young del materiale scelto la grandezza fondamentale per l'ottenimento delle caratteristiche di rigidezza dell'elemento. La scelta del materiale da utilizzare, oltre che la rigidezza desiderata, segue direttamente l'entità del carico che la molla deve essere in grado di sopportare ed il grado di compattezza dimensionale che si vuole ottenere. I collegamenti a gomito 12 tra i segmenti piastriformi 11 rappresentano delle zone di concentrazione delle tensioni, e maggiore è la resistenza del materiale, più stretta può essere la cava tra i due segmenti consecutivi, e maggiormente ridotta può essere la larghezza/spessore complessivo dell'elemento (come detto intendendo lo spessore nel senso della dimensione in direzione ortogonale ai piani A).

Con riferimento alle figure da 2 a 5, una seconda forma realizzativa della molla torsionale secondo l’invenzione può prevedere un corpo 101 cilindrico anziché parallelepiedo. La configurazione a serpentina con cave 102, 103 e segmenti piastriformi 111 è peraltro del tutto analoga alla precedente, salvo evidentemente per il fatto che i segmenti non hanno altezza uniforme come nel precedente caso, ma si riducono allontanandosi dall’asse X in ragione della curvatura circolare del corpo.

Inoltre, in questo caso, lo spessore dei segmenti 111 non è costante ma (figure 4 e 5) aumenta progressivamente per i segmenti più periferici, al fine di uniformare le tensioni nel materiale dovute alla torsione. I segmenti periferici infatti devono sopportare sforzi specifici maggiori, per la stessa natura della sollecitazione di torsione, e sono inoltre come appena detto di altezza inferiore rispetto a quelli centrali.

In tale forma realizzativa si notano anche due attacchi flangiati 104, 105, rispettivamente sui lati 101a, 101b, realizzati a loro volta in forma monolitica per effetto di due intagli radiali 106, 107 che sul cilindro 101 vanno in pratica a separare la porzione della serpentina vera e propria dalle estremità del cilindro, formando due porzioni discoidali che sono poi opportunamente lavorate per renderle idonee ai collegamenti meccanici richiesti. Gli intagli radiali si arrestano evidentemente prima di incidere completamente la sezione del cilindro, lasciando rispettivi ponti di connessione tra la porzione della serpentina e i dischi. Vantaggiosamente tali ponti risultano in posizioni diametralmente contrapposte.

Nello specifico le cave e gli intagli possono essere realizzati per elettroerosione a filo su una barra di acciaio "maraging". (Böhler W720, modulo di Young: 193 GPa, yield stress di 1815 MPa). Compatibilmente con le dimensioni delle cave e con la dimensione della sezione dell'intero elemento è possibile del resto realizzare la lavorazione per asportazione di truciolo. Una molla così realizzata, che presenta una caratteristica angolo-coppia lineare e priva di isteresi, è atta a conseguire una rigidezza torsionale di 100 N m rad<-1>e coppia trasmissibile di almeno 30 N m.

Le estremità dell'elemento a serpentina possono essere realizzate in diversi modi atti a permettere di interfacciare l'elemento deformabile con vari tipi di elementi meccanici, secondo quanto di per sé ovviamente implementabile dall’esperto del ramo. Collegamenti/fissaggi utilizzabili possono comprendere collegamenti flangiati con viti, collegamenti albero-mozzo, profili scanalati, chiavette, linguette, spine radiali, caletattori ecc.

La presente invenzione permette dunque di superare le difficoltà di realizzazione di un elemento elastico torsionale compatto, robusto e relativamente leggero, e che al contempo permetta di trasmettere coppie elevata con alta deformabilità. La realizzazione in un pezzo unico evita qualsiasi contatto indesiderato tra parti in movimento durante l'uso, e l’elemento è inoltre facilmente interfacciabile con le parti cui deve essere connesso.

Altri vantaggi che possono derivare dall'utilizzo della molla torsionale secondo l’invenzione comprendono:

• facile parametrizzazione delle dimensioni al fine di ottenere molle con caratteristiche volute;

• possibilità di realizzare le estremità della molla per utilizzare una molteplicità di modalità di fissaggio tra la molla e gli elementi da connettere ad essa;

• possibilità di realizzare la lavorazione direttamente su un albero rendendolo intrinsecamente elastico.

La molla ha come applicazione principale la robotica ed in particolare la robotica indossabile. Le sue dimensioni e le sue caratteristiche di rigidezza e coppia trasmissibile e la sua elevata interfacciabilità con gli altri elementi la rendono un elemento utile per la realizzazione di attuatori elastici per robot indossabili e per robot. In queste applicazioni è infatti fondamentale utilizzare attuatori con pesi ed ingombri limitati pur avendo la necessità di trasmettere coppie e forze relativamente alte. L'attuatore elastico secondo l'invenzione, completo di tutti gli elementi, può essere assemblato direttamente sul robot. L'applicabilità della molla non è tuttavia limitata al campo robotico ma è estendibile a tutti i campi in cui è necessario l'utilizzo di molle torsionali con determinate caratteristiche di rigidezza e coppia trasmissibile.

La presente invenzione è stata fin qui descritta con riferimento a sue forme di realizzazione preferite. È da intendersi che possono esistere altre forme di realizzazione che afferiscono al medesimo nucleo inventivo, tutte rientranti nell’ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate.

Bibliografia

[1] G. Pratt and M. M. Williamson, “Series elastic actuators” in Proc. IEEE Int. Conf. Intell. Robots Syst., Pittsburgh, PA, 1995, pp.339–406.;

[2] J. F. Veneman, R. Ekkelenkamp, R. Kruidhof, F. C.T. van der Helm and H. van der Kooij "A Series Elastic- and Bowden-Cable-Based Actuation System for Use as Torque Actuator in Exoskeleton-Type Robots" The International Journal of Robotics Research 200625: 261 DOI: 10.1177/0278364906063829;

[3] J.E. Pratt, B.T. Krupp, C.J. Morse, S.H. Collins. “The RoboKnee: An Exoskeleton for Enhancing Strength and Endurance During Walking” Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics & Automation New Orleans, LA -April 2004;

[4] E. Torres-Jara and J. Banks. A simple and scalable force actuator. In Proceedings of 35th International Symposium on Robotics, Paris, France, 2004;

[5] Nicholas Paine and Luis Sentis A New Prismatic Series Elastic Actuator with Compact Size and High Performance;

[6] Claude Lagoda, Alfred C. Schouten, Arno H. A. Stienen, Edsko E. G. Hekman, Herman van der Kooij "Design of an electric Series Elastic Actuated Joint for robotic gait rehabilitation training" Proceedings of the 2010 3rd IEEE RAS EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics", The University of Tokyo, Tokyo, Japan, September 26-29, 2010;

[7] Wang, Shiqian, et al. "Efficient Lightweight Series Elastic Actuation for an Exoskeleton Joint.";

[8] A. H. A. Stienen, E. E. G. Hekman, H. ter Braak, et al., “Design of a rotational hydro-elastic actuator for a powered exoskeleton for upper-limb rehabilitation,” IEEE Trans. Biomed. Eng., vol.57, no.3, pp.728–735, Mar.2010;

[9] F. Sergi, D. Accoto, G. Carpino, N.L. Tagliamonte, E. Guglielmelli, “Design and Characterization of a Compact Rotary Series Elastic Actuator for Knee Assistance During Overground Walking”, in Proc. IEEE Int. Conf. on Biomed. Rob. and Biomech., pp.1931-1936, 2012;

[10] Helical Products Company, Inc. http://www.heli-cal.com.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Un elemento trasmissivo con risposta elastica per la trasmissione di una sollecitazione torsionale tra un elemento attuatore e un elemento attuato, l’elemento comprendendo: un corpo monolitico (1); attacchi per detto elemento attuatore e detto elemento attuato ricavati su, o associati a, detto corpo in posizione contrapposta allineati lungo un asse (X) di fulcro della sollecitazione torsionale; e una distribuzione di cave (2, 3) ricavate su detto corpo (1) evolventi prevalentemente secondo piani (A) aventi relazione di parallelismo rispetto a detto asse di fulcro (X).
2. L’elemento secondo la rivendicazione 1, in cui dette cave (2, 3) sono distribuite con una simmetria rispetto a un piano ortogonale ai piani (A) e passante per detto asse (X), ed inoltre con una sostanziale simmetria rispetto a un piano ortogonale ai piani (A) e passante per una mezzeria dell’estensione di detto corpo (1) lungo detto asse.
3. L’elemento secondo la rivendicazione 2, comprendente una pluralità di cave passanti parallele e sovrapposte, chiuse alternativamente su uno o l’altro di due lati (1a, 1b) contrapposti del corpo (1) rispetto a detto asse (X), in modo da determinare una porzione evolvente a serpentina comprendente segmenti piastriformi (11) distanziati dallo spessore delle cave (2, 3) uniti da collegamenti (11) che materializzano la chiusura delle cave sui lati contrapposti (1a, 1b).
4. L’elemento secondo la rivendicazione 3, in cui detto corpo (1) è parallelepipedo.
5. L’elemento secondo la rivendicazione 3, in cui detto corpo (1) è cilindrico.
6. L’elemento secondo la rivendicazione 5, in cui lo spessore di detti segmenti piastriformi (11) è progressivamente maggiore nei segmenti più distanti rispetto a detto asse (X).
7. L’elemento secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui detti attacchi (104, 105) sono realizzati a disco per effetto di rispettivi intagli radiali (106, 107) ricavati sul corpo cilindrico per separare la porzione a serpentina da estremità assiali del corpo stesso, gli intagli radiali (106, 107) lasciando rispettivi ponti di connessione tra la porzione a serpentina e gli attacchi a disco.
8. L’elemento secondo la rivendicazione 7, in cui detti ponti sono in posizioni diametralmente contrapposte.
9. L’elemento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette cave sono realizzate per asportazione di materiale da un corpo pieno.