ITGE20130116A1 - Robot per assistere allenamenti sportivi - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'Invenzione Industriale dal titolo: “Robot per assistere allenamenti sportivi”

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione ha per oggetto un robot per assistere allenamenti sportivi, comprendente una testa sorretta da un busto, il quale busto è collegato ad una struttura sottostante di supporto attraverso una guida tubolare.

La struttura sottostante di supporto comprende un carrello che presenta ruote al fine di permettere la movimentazione di detto robot, le quali ruote sono azionate da una unità motrice comandata da schedine elettroniche.

Negli sport da combattimento (ad esempio: il taekwondo, la boxe, il karate, la muay thai, la kickboxe e molti altri) da sempre si è fatta presente la necessità di disporre di un avversario per potersi allenare, che può essere reale (es: collega di allenamento o altre persone) o simulato (es: colpitori, sacchi, etc.). La soluzione di disporre di un avversario simulato e’ arrivata nei primi anni del novecento (ma anche prima) con l’utilizzo del sacco, un elemento imbottito con stoffa (o pelle o altro) e materiale morbido e pieno di terra o pesi (o anche acqua o altro) che viene utilizzato per assorbire i colpi di pugno, di piede, di testa, o colpi di altre parti del corpo come gomiti, ginocchia, ecc.

Il sacco è un’ottima invenzione per potersi allenare da soli e con continuità. Può essere fissato al soffitto o alla parete con opportuni supporti o può essere utilizzato senza fissaggio ma con contrappesi, che gli permettono di rimanere perpendicolare al terreno o anche può essere appeso a strutture fisse. Tuttavia, il solo sacco, non basta per allenarsi a competere con una persona reale che è una macchina umana da combattimento in grado di muoversi, saltare e compiere movimenti inaspettati. Per poter essere in grado di competere con un suo avversario, l’atleta deve quindi sottoporsi a diverse tipologie di allenamento per aumentare le sue caratteristiche personali quali la velocità, la prontezza e lo scatto, ma anche la resistenza allo sforzo, ecc. Le diverse tecniche di allenamento includono, oltre all’allenamento specifico della disciplina, anche una preparazione atletica di base ottenuta con combinazioni di corsa, salti alla corda, scatti di 100, 80, 50, 20 m, addominali, piegamenti sulle braccia e molte altre combinazioni. L’aiuto del coach (o di chi per lui) permette all’atleta di utilizzare dei piccoli colpitori, che quindi aiutano nell’allenamento, ma che richiedono una persona che simuli l’avversario e si muova con i colpitori in mano, in un modo che e’ sempre molto lontano dal movimento del vero avversario. Alla fine, l’atleta testerà la sua preparazione con un altro compagno di allenamenti che dovrà subire i colpi simulando il vero avversario. Darebbe un grande aiuto all’atleta allenarsi contro un uomo artificiale che può variare la sua velocità, che può muoversi in un ambiente in modo non prevedibile e che può essere utilizzato anche direttamente dall’atleta senza il bisogno di nessuno che lo segua negli allenamenti. Gli sport da combattimento, inoltre, vengono frequentati da molti bambini e giovani, che iniziano a entrare nel mondo sportivo per gioco e la disciplina dello sport li aiuterà per crescere in modo sano. Per i bambini, ci sono molti sistemi di gioco di allenamento combinato, ma niente che si concentri su di loro e giochi con loro mentre si allenano, a parte gli allenatori (o maestri) che interagiscono con i bambini a seconda della loro preparazione psico-pedagogica. Il bambino, quindi, lasciato a se stesso, troverà altre vie per sfogare la sua curiosità spontanea e atleticità fisica, allontanandosi forse dallo sport. Si fa presente quindi la necessità di disporre di una piattaforma che possa aiutare ad allenarsi e aumentare le prestazioni sportive sia dell’atleta ad alto livello che del praticante a livello amatoriale e del bambino che vuole giocare, divertendosi, entrando così nel mondo dello sport.

In definitiva, il problema tecnico risolto dalla presente invenzione consiste nella realizzazione di un robot mobile che è in grado di muoversi su di una superficie piana in maniera autonoma o comandata da pc o anche da joystick. Il robot è in grado di parlare, provocare, consigliare, ricevere colpi rimanendo in piedi. Il suo aspetto è simpatico e può essere vestito a piacimento dell’utente. Può essere utilizzato anche come promotore sportivo per palestre, può essere utilizzato sia per l’allenamento di adulti che bambini ed è disponibile ad un prezzo accessibile alle normali palestre. Il robot può essere di aiuto anche a chi non fa sport, ma vuole un semplice antistress in giro per la propria abitazione, che prende schiaffi e sorride. L’invenzione proposta può essere utilizzata anche da chi non ha tempo di andare in palestra e vuole fare sport per conto proprio nella propria abitazione. Sistemi di videocamere, sensori per il calcolo delle traiettorie e ottimizzazione delle performance dell’atleta sono integrabili nel robot e già previsti a seconda delle esigenze dell’utente. Un collegamento con sistemi smarthphone tablet o simili, del tipo iPad e iPhone è già possibile per governare il robot da cellulare.

La presente invenzione nasce direttamente dalla richiesta del mercato Italiano delle arti marziali e in particolare del taekwondo e in seguito è stata anche indirizzata ad altri sport e mercati anche diversi da quello sportivo. Il Taekwondo e uno sport marziale riconosciuto dal Comitato Olimpico Internazionale (CIO) per le sue caratteristiche di gioco sportivo. Dopo due dimostrazioni a Seoul nell’ ’88 e a Barcellona nel ‘92 è stato finalmente riconosciuto come sport Olimpico alle Olimpiadi di Sydney del 2000. In tale arte marziale non vengono usate armi e si fa uso in particolare di mani e piedi, pur sviluppando diverse parti del corpo.

La necessità di partenza era quella di disporre di un manichino sensorizzato per pubblicizzare il taekwondo nelle scuole e per aiutare il maestro durante gli allenamenti dei bambini. In aggiunta, si voleva la possibilità che il robot si muovesse e desse degli input al bambino di tipo visivo (con luci) e sonoro (con diverse voci e suoni).

La presente invenzione consegue gli scopi di cui sopra realizzando un robot come descritto in precedenza, in cui il carrello comprende almeno due ruote motrici azionate ciascuna da almeno un motoriduttore, essendo i motoriduttori controllati da schedine elettroniche, in modo tale per cui il peso del robot risulta concentrato nella parte inferiore dello stessoe nel caso di colpi alla testa o al busto, il robot oscilla senza ribaltarsi.

Il dispositivo di cui al presente brevetto consente di disporre di un sistema robotico sensorizzato per allenamento personale sia di persone sportive che non. E’ stato pensato per l’allenamento di praticanti di sport da combattimento (professionisti e amatoriali), ma anche per i bambini che iniziano ad entrare nel mondo dello sport. Può essere utilizzato anche da chi non fa sport e vuole un antistress nella propria abitazione che prende schiaffi e sorride muovendosi ovunque e facendo da diffusore di musica.

Rispetto alla concorrenza, nel campo degli sport da combattimento, i vantaggi sono quelli di disporre di un sistema altamente innovativo per il settore e molto flessibile sia nell’interfaccia con l’utente (tramite joystick o pc o sistemi autonomi di interazione o iPad o iPhone o altro), che nelle possibilità di comunicazione (tramite voci, suoni e luci). Sono inoltre possibili sistemi aggiuntivi di monitoraggio delle performance del’atleta, quali calcolo delle traiettorie ottime per eseguire un movimento e videocamere per rivedere i propri movimenti e ottimizzarli.

Nel campo del taekwondo, non esiste concorrenza e il robot potrebbe essere un elemento fondamentale per l’allenamento. I sistemi di corpetti sensorizzati che gli atleti di taekwondo utilizzano nel combattimento olimpico possono facilmente essere indossati dal robot (al posto del caschetto (1) e corpetto (2) di Figura 3) avendo così a disposizione un avversario olimpico a tutti gli effetti.

Nel mercato dello sport in generale, disporre di un robot come quello oggetto della presente invenzione, permette di avere un sistema che, dotato di videocamera e sistemi sensorizzati aggiuntivi, può seguire e riprendere i movimenti dell’atleta. In questo modo l’atleta, anche da solo, e’in grado di monitorare e ottimizzare le sue caratteristiche da sportivo.

Nel mercato ludico e di intrattenimento, il vantaggio nell’utilizzare il robot oggetto della presente invenzione e’ relativo al fatto di disporre di un robot simpatico che prende schiaffi, si muove in modo agile ovunque su superfici piane, parla, suona comunica con luci e può essere picchiato. E’ un ottimo antistress.

Le applicazioni dell’invenzione proposta sono innumerevoli e si rifanno ai vantaggi esposti sopra.

I mercati di riferimento non sono l’industria ma: palestre, federazioni sportive, società sportive, singoli sportivi (amatoriali e professionisti), persone non sportive, enti quali centri commerciali, aeroporti, etc., che utilizzerebbero il robot come intrattenimento con la gente e per dare informazioni o per pubblicizzare un prodotto.

Inoltre il robot è interfacciabile con altri sistemi sensorizzati quali videocamere, sensori di contatto, di prossimità, interfaccia grafica virtuale e ricostruzione dell’ambiente circostante. Inoltre esiste anche la possibilità di comandare il robot direttamente da pc, o joystick o iPad o iPhone.

Queste ed altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno più chiaramente dalla seguente descrizione di alcuni esempi esecutivi illustrati nei disegni allegati in cui:

le figg. 1a ed 1b illustrano due possibili varianti esecutive del robot oggetto della presente invenzione;

la fig. 2 illustra un possibile ambiente virtuale all’interno del quale si trova ad agire il robot oggetto della presente invenzione;

la fig. 3 illustra una vista in prospettiva del robot oggetto della presente invenzione, secondo una forma esecutiva preferita;

la fig. 4 illustra tre viste in prospettiva del robot oggetto della presente invenzione.

Le figure 1a ed 1b, si differiscono per la presenza di elementi protettivi e di sensoristica, in quanto la figura 1b illustra il robot della figura 1a senza il casco protettivo e il corpetto.

Dunque il robot oggetto della presente invenzione, con piccole modifiche può essere utilizzato non solo dai bambini, ma anche dagli atleti professionisti per allenarsi e monitorare le proprie performance. In particolare la figura 1b si riferisce ad un robot più adatto per tutti gli sport da combattimento (boxe, kickboxe, muay thai, karate, etc.), ma che può essere utilizzato come antistress da chi non pratica sport e si vuole sfogare a prendere a schiaffi un fantoccio mobile che parla.

Si specifica che il robot può essere vestito a piacimento a seconda dell’esigenza.

Le due varianti esecutive del robot oggetto della presente invenzione, illustrate rispettivamente nelle figure 1a ed 1b, sono uguali e le uniche differenze sono il caschetto e il corpetto indossate dalla variante in figura 1a (rispettivamente numeri (1) e (2) di Figura 3).

In Figura 2 viene raffigurato un possibile ambiente virtuale all’interno del quale si trova ad agire il robot oggetto della presente invenzione.

In Figura 3 viene rappresentato il disegno di complessivo del robot oggetto della presente invenzione e in Figura 4 le tre viste in proiezione.

Il robot può muoversi su di una superficie piana, come raffigurato in Figura 2 e interagire con adulti e bambini. La sua altezza può essere facilmente modificata manualmente premendo un bottone che si trova sulla guida tubolare (3) delle Figure 3 e 4 e sollevando la testa del robot (4), o il busto (5), che scorrono fissi assieme nella guida tubolare (3). Il robot può essere posizionato in sei altezze diverse, da un minimo di 1300 mm ad un massimo di 1600 mm. Il robot è dotato di due occhi (6) all’interno dei quali si trovano led commerciali che si accendono e spengono su comando da pc o da joystick o da iPad e iPhone o autonomamente secondo la richiesta dell’utente. Il robot è in grado di subire colpi sulla testa (4) e sul busto (5), in particolare sul caschetto (1) e corpetto (2).

Ad ogni colpo il robot oscilla sulla sua posizione grazie alla molla (7) che evita di trasmettere la maggior parte della forza alla struttura sottostante formata da un cilindro (8) e un carrello (9), fissati attraverso un elemento imbullonato (10) alla guida (3). Nella configurazione presente il robot riesce a sopportare colpi non ribaltandosi perché tutto il peso del robot è posizionato in basso. Il baricentro del robot ricade all’interno dell’elemento cilindrico (8). Il peso del robot varia da 25 a 60 kg e può essere aumentato quando viene aumentata l’intensità della forza dei colpi che il robot deve sopportare, inserendo acqua (o terra) all’interno dell’ elemento (8), svitando semplicemente le viti dell’elemento imbullonato (10) alla guida (3). Questa situazione potrebbe verificarsi quando si passa da bambini ad adulti essendo diversa la forza dei colpi che il robot può sopportare senza ribaltarsi. Il robot può oscillare grazie alla molla (7) a seguito di un colpo e si può muovere su un piano grazie alle 4 ruote del carrello (9). Il design del robot è stato pensato in modo da ridurre le forze d’inerzia durante il moto così da ottenere una maggiore accuratezza nel raggiungimento della traiettoria. La struttura pensata è schematizzata in letteratura come un monociclo, anche se in realtà le ruote motrici (11) sono due e non una. Le altre due ruote (12) sono folli e liberi di ruotare attorno all’asse delle ruote stesse grazie ad opportuni cuscini interni e di ruotare anche attorno agli assi di rotazione indicati in Figura 4, così da consentire il moto curvilineo del robot. Le ruote (12) possono anche essere bloccate nella loro rotazione libera attorno all’asse della ruota premendo la barretta (13) su ogni ruota folle (12). Le ruote folli (12) sono posizionate alla stessa distanza e in verso opposto rispetto alla guida tubolare (3). Le ruote motrici (11) sono posizionate ad uguale distanza rispetto all’asse dell’asta tubolare (3) con asse concentrico delle ruote (11) e perpendicolare allo stesso asse della guida tubolare (3). Il moto e’ reso possibile grazie alla presenza di due motoriduttori (14). Ogni motoriduttore è collegato ad una ruota motrice (11) attraverso una cinghia (15) e due pulegge, una (16) calettata sull’albero del motore (14) e una (17) calettata sullo stesso albero della ruota (11). La ruota (11), assieme al proprio albero e alla puleggia (17), costituiscono un unico elemento fisso che può ruotare attorno all’ asse dell’albero stesso, grazie ad opportuni cuscini meccanici che collegano il sistema (ruota, puleggia e albero) al carrello (9).

Per come è stato progettato il robot, se i motoriduttori (14) venissero entrambi fatti ruotare alla stessa velocità e con un senso di rotazione (relativo ad ogni motore) opposto (uno orario e l’altro antiorario), il robot si muoverebbe con moto costante seguendo una traiettoria rettilinea; se le velocità dei motoriduttori (14) fossero costanti e il senso di rotazione (relativo) di ogni motore fosse uguale (rotazione di entrambi i motori in senso orario o antiorario), il robot ruoterebbe su se stesso attorno all’asse della guida tubolare (3), che e’ sempre perpendicolare alla superficie del terreno quando il robot non subisce colpi; se i motoriduttori (14) dovessero ruotare a velocità diverse, il robot percorrerebbe traiettorie curve.

In questo primo prototipo del robot, il carrello (9) è stato realizzato utilizzando profilati smontabili (18) e imbullonati tra di loro o con elementi di giunzione angolari (19). In prototipi futuri si prevede di costruire un carrello su misura riducendo le dimensioni e eliminando probabilmente l’elemento cilindrico (8).

Secondo una variante esecutiva, il robot oggetto della presente invenzione presenta almeno una unità di comunicazione senza fili con almeno una unità remota.

Il robot può essere infatti comandato da pc o da joystick che comunicano via wireless con schedine elettroniche che si possono trovare sotto l’elemento cilindrico (8), la quale contiene un microprocessore che gestisce i motoriduttori (14) e i sensori del robot, formati dai led negli occhi (6) e da una pelle sensorizzata posizionata sul corpetto (2) e sul busto (5). Ogni motoriduttore (14) è dotato anche di encoder incrementale, per il calcolo della posizione relativa della rotazione dell’asse del motore e assoluta del robot rispetto ad un punto fissato nell’ambiente. L’alimentazione del robot può essere fornita sia via cavo (collegandosi alla normale rete elettrica), sia utilizzando apposite batterie (20). Una batteria permette al robot di avere un’autonomia di 1 ora e mezza di funzionamento continuo. Il microprocessore (che si trova nelle schedine elettroniche sotto l’elemento cilindrico (8)) prende l’alimentazione dalla batteria (20) per alimentare sia i motoriduttori (14) che i sensori vari e gli altoparlanti (21), che permettono al robot di interagire con il mondo esterno. Possono essere registrate anche voci diverse a piacimento e gli altoparlanti possono essere utilizzati anche come input sonoro per l’allenamento o come diffusori di musica. Un’interfaccia grafica su pc permette di vedere il movimento del robot in un ambiente simulato (simile alla figura 2). L’elemento (22) e’ un tendicinghia utilizzato per il corretto funzionamento del robot e per la manutenzione (o sostituzione) della cinghia stessa.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Robot per assistere allenamenti sportivi, comprendente una testa (4) sorretta da un busto (5), il quale busto (5) è collegato ad una struttura sottostante di supporto attraverso una guida tubolare (3), comprendendo la detta struttura sottostante di supporto un carrello (9) che presenta ruote (11, 12) al fine di permettere la movimentazione di detto robot, le quali ruote sono azionate da una unità motrice comandata da schedine elettroniche, caratterizzato dal fatto che il detto carrello (9) comprende almeno due ruote motrici (11) azionate ciascuna da almeno un motoriduttore (14), essendo ogni motoriduttore (14) controllato da schedine elettroniche, in modo tale per cui il peso del detto robot risulta concentrato nella parte inferiore dello stesso, e nel caso di colpi alla detta testa (4) o al detto busto (5), il robot oscilla senza ribaltarsi.
2. 2. Robot secondo la rivendicazione 1, in cui il detto carrello comprende due ruote motrici (11) e due ruoti girevoli folli (12), essendo le dette ruote girevoli folli posizionate alla stessa distanza e in verso opposto rispetto alla detta guida tubolare (3), mentre le due ruote motrici (11) sono posizionate ad uguale distanza rispetto all’asse dell’asta tubolare (3) con asse concentrico delle ruote (11) e perpendicolare allo stesso asse della guida tubolare (3).
3. 3. Robot secondo la rivendicazione 1, in cui i detti motoriduttori sono alimentati da una sorgente di generazione di energia elettrica, del tipo batteria (20) o simili, montata sul detto carrello (9).
4. 4. Robot secondo la rivendicazione 1, in cui il detto carrello comprende un cilindro (8), al quale cilindro (8) è fissata la detta guida tubolare (3), essendo il detto cilindro (8) costituito da un corpo cilindrico cavo, atto ad essere riempito per la regolazione del peso del detto robot.
5. 5. Robot secondo la rivendicazione 1, in cui la detta guida tubolare (3) presenta, per almeno parte della sua lunghezza, un elemento elastico, del tipo molla (7) o simili.
6. 6. Robot secondo la rivendicazione 1, in cui la detta guida tubolare (3) è costituita da un elemento allungabile, del tipo telescopico o simili.
7. 7. Robot secondo la rivendicazione 1, in cui almeno il detto busto (5) è ricoperto almeno in parte da elementi di rilevazione del tipo sensori di pressione o simili.
8. 8. Robot secondo la rivendicazione 1, in cui è prevista una unità di comunicazione senza fili con almeno una unità remota.
9. 9. Robot secondo la rivendicazione 1, in cui la detta testa (4) presenta almeno una sorgente di generazione luminosa del tipo led (6) o simili, la quale sorgente di generazione luminosa è comandata da schedine elettroniche ed alimentata dalla detta batteria (20).
10. 10. Robot secondo la rivendicazione 1, in cui è prevista almeno una sorgente di generazione di un segnale audio, del tipo altoparlanti (21) o simili, la quale sorgente di generazione di un segnale audio è comandata dalla detta schedina elettronica ed alimentata dalla detta batteria (20).