ITPI20100102A1 - Dispositivo per l'allevio degli sforzi articolari derivanti dal peso proprio degli arti umani - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo: “DISPOSITIVO PER L’ALLEVIO DEGLI SFORZI ARTICOLARI DERIVANTI DAL PESO PROPRIO DEGLI ARTI UMANIâ€

DESCRIZIONE

Ambito dell’invenzione

La presente invenzione riguarda il settore della riabilitazione motoria e in particolare si riferisce a un dispositivo sensorizzato da utilizzare in combinazione con un sistema di generazione di ambienti virtuali, capace di ridurre o, al limite, annullare gli sforzi articolari derivanti dal peso proprio degli arti umani (braccia e gambe), in uno spazio di lavoro sostanzialmente coincidente con quello naturale degli arti, in modo da agevolare l’utente nell’esecuzione di un’ ampia gamma di esercizi fisici, necessari al recupero della capacità motoria, compromessa a seguito di traumi o di natura cerebrovascolare (ad esempio l’ictus) o di natura ortopedica.

Descrizione della tecnica nota

Nell’ultimo decennio, studi condotti da numerosi laboratori di ricerca hanno mostrato l’efficacia di innovative tecniche di riabilitazione che impiegano dispositivi robotici in combinazione con sistemi di generazione di ambienti virtuali.

Queste tecniche prevedono l’impiego di interfacce meccatroniche (ovvero, in generale, attuate, sensorizzate e controllate) interagenti fisicamente con l’arto invalidato dell’utente per sostenere, guidare, agevolare oppure resistere l’esecuzione di un task motorio, mentre il sistema di generazione di ambienti virtuali visualizza uno scenario costituito da oggetti manipolabili dal utente, per il tramite dell’interfaccia che acquisisce i movimenti dell’arto. L’adozione di tecnologie robotiche presenta degli indiscutibili vantaggi rispetto alle pratiche tradizionali, in virtù della ripetitività dei task motori di riabilitazione.

Inoltre, garantisce maggiore ripetibilità tra le differenti esecuzioni dello stesso task e una misura oggettiva delle prestazioni motorie dell’utente (escursione angolare delle varie articolazioni, grado di coordinazione, forze/coppie esercitate, etc.), non ottenibile con le pratiche tradizionali.

Infine, la possibilità di poter variare con grande flessibilità la dipendenza tra la forza esercitata dal robot e la postura/movimenti dell’arto, consente di indagare e sperimentare nuove metodiche di riabilitazione, con l’obiettivo di individuare criteri che consentano una definizione dei task motori più mirata alle esigenze specifiche dei pazienti.

La combinazione del dispositivo robotico con un ambiente virtuale consente, poi, di migliorare la motivazione dell’utente durante l’esecuzione del task motorio, che, invece, tende a calare nelle pratiche tradizionali, a causa della ripetitività dei movimenti. La realtà virtuale, infatti, consente di implementare una gamma praticamente infinita di scenari, popolati da oggetti più o meno fantasiosi, con cui l’utente può attivamente interagire. Da questo punto di vista il sistema nel suo complesso, ovvero il robot visto come interfaccia di interazione e il sistema di generazione di ambienti virtuali, risulta del tutto assimilabile ai comuni videogiochi, di cui à ̈ ben nota la capacità di mantenere alta l’attenzione dell’utente anche per ore.

Recentemente, al fine di migliorare il grado di sicurezza intrinseco dei dispositivi riducendo al contempo il costo della tecnologia, sono stati investigati sistemi di realtà virtuale equipaggiati con interfacce meccaniche non attuate ma solamente sensorizzate (interfacce passive). I risultati clinici ottenuti con questi sistemi hanno dimostrato recuperi della funzionalità motoria dell’arto superiore del tutto paragonabili a quelli ottenibili con interfacce attuate (interfacce attive), specialmente nel caso della riabilitazione in fase post acuta.

Tuttavia, la necessità di dover alleviare il peso proprio del braccio dell’utente per agevolare l’esecuzione del task motorio, richiede l’impiego di tecniche di bilanciamento passivo, che possono complicare la meccanica del dispositivo, oltre che limitare in modo sensibile l’ampiezza dei movimenti consentiti.

In FR2541574 à ̈ descritto un dispositivo per ridurre gli sforzi articolari derivanti dal peso proprio del braccio al fine di agevolare l’utente nell’esecuzione di esercizi di riabilitazione dell’arto superiore. Il grado di riduzione degli sforzi articolari consentito dal dispositivo, tuttavia, non à ̈ costante nell’intero spazio di lavoro dell’arto, ma solo approssimativamente costante in un sottospazio sensibilmente minore. Pertanto, l’estensione dei movimenti realizzabili à ̈ limitata, impedendo un completo recupero della mobilità dell’arto superiore.

Sintesi dell’invenzione

È, quindi, scopo della presente invenzione fornire un dispositivo per l’allevio degli sforzi articolari derivanti dal peso proprio degli arti umani che consenta di realizzare un grado di riduzione degli sforzi articolari costante in uno spazio di lavoro sostanzialmente coincidente a quello naturale dell’arto,e, quindi, sensibilmente più ampio rispetto ad analoghi dispositivi di tecnica nota.

È scopo ulteriore della presente invenzione fornire un dispositivo di allevio del peso proprio degli arti umani che consenta una migliore distribuzione della pressioni di contatto e quindi una migliore ergonomicità rispetto a dispositivi noti.

È un altro scopo della presente invenzione fornire un dispositivo di allevio del peso proprio degli arti umani che non richieda alcun tipo di registrazione per posizionare correttamente il dispositivo rispetto all’arto dell’operatore.

È un ulteriore scopo della presente invenzione fornire un dispositivo di allevio del peso proprio degli arti umani costruttivamente più semplice ed economicamente vantaggioso rispetto ad ai dispositivi di tecnica nota.

Questi ed altri scopi sono raggiunti dal dispositivo di allevio del peso proprio di un arto umano, detto arto comprendendo un segmento prossimale articolato a un tronco tramite una articolazione prossimale, un segmento mediale articolato al segmento prossimale tramite una articolazione mediale e un segmento distale articolato al segmento mediale tramite una articolazione distale, detto dispositivo comprendendo:

− una base fissa;

− un elemento mobile di interazione atto a essere posto in contatto solidale con detto segmento mediale; − un meccanismo comprendente una pluralità di coppie cinematiche tra loro connesse da link rigidi, detto meccanismo essendo atto a connettere operativamente detto elemento mobile di interazione con detta base, in cui detto meccanismo, mediante detta pluralità di coppie cinematiche, fornisce a detto elemento mobile di interazione 3 gradi di libertà di traslazione e 3 gradi di libertà di rotazione rispetto a detta base fissa in uno spazio di lavoro sostanzialmente coincidente con quello naturale di detto segmento mediale;

− mezzi di generazione di un carico verticale sostanzialmente costante in corrispondenza di un definito punto solidale con un link di detto meccanismo;

la cui caratteristica principale à ̈ che detti mezzi di generazione e detto meccanismo sono atti a applicare una forza verticale, che à ̈ proporzionale a detto carico e quindi sostanzialmente costante in detto spazio di lavoro, in corrispondenza di un punto di bilanciamento che à ̈ solidale con detto segmento mediale dell’arto e che giace sulla congiungente dell’articolazione mediale con l’articolazione distale e la cui distanza xFrispetto all’articolazione mediale à ̈ compresa tra 80 mm e 130 mm.

Vantaggiosamente, la distanza xFdel punto di bilanciamento dall’articolazione mediale à ̈ compresa tra 85 e 125 mm.

Preferibilmente, la distanza xFdel punto di bilanciamento dall’articolazione mediale à ̈ compresa tra 88 e 120 mm.

In particolare, la distanza xFà ̈ sostanzialmente definita in funzione delle dimensioni antropometriche dell’arto dell’utente e delle masse dei segmenti dell’arto secondo la formula seguente:

dove:

− l1UAà ̈ la distanza tra l’articolazione prossimale e il baricentro del segmento prossimale;

− l2UAà ̈ la distanza tra l’articolazione mediale e il baricentro del segmento prossimale;

− l1FAà ̈ la distanza tra l’articolazione mediale e il baricentro dell’insieme del segmento mediale e del segmento distale;

− Ppà ̈ il peso del segmento prossimale;

− Pdà ̈ il peso dell’insieme del segmento mediale e del segmento distale.

Vantaggiosamente, sono previsti regolabili mezzi per fissare il segmento mediale a detto elemento di interazione in modo tale da poter registrare detta distanza xFtra detto punto di bilanciamento e detta articolazione mediale.

Vantaggiosamente, il meccanismo comprende una sezione primaria, comprendente almeno 6 coppie cinematiche indipendenti, detta sezione primaria essendo atta a consentire la completa mobilità, ossia 3 gradi di libertà traslazionali e 3 gradi di libertà rotazionali, in detto spazio di lavoro di detto elemento mobile rispetto a detta base fissa, e una sezione secondaria, atta a trasmettere detto carico verticale su detto elemento di interazione, trasformandone, in generale, intensità e direzione, e quindi generando detta forza verticale in detto punto di bilanciamento in modo che essa sia costante in detto spazio di lavoro, detta sezione secondaria essendo cinematicamente dipendente da detta sezione primaria, ossia non aggiungendo gradi di libertà a detto meccanismo.

Preferibilmente, la sezione primaria di detto meccanismo comprende 6 giunti rotoidali.

In particolare, i 6 giunti rotoidali della sezione primaria sono combinati a due a due in modo da formare una prima, una seconda e una terza combinazione di giunti rotoidali, tali che:

− gli assi di rotazione dei giunti rotoidali di ciascuna combinazione di due giunti rotoidali sono tra loro ortogonali e incidenti in tre rispettivi punti distinti O1, O2, O3;

− l’asse del primo giunto rotoidale della prima combinazione di due giunti rotoidali à ̈ disposto in direzione verticale;

− il punto di intersezione O2degli assi di rotazione della seconda combinazione di due giunti rotoidali à ̈ disposto ad una distanza L1dal punto di intersezione O1 degli assi di rotazione della prima combinazione di due giunti rotoidali;

− il punto di intersezione O3degli assi di rotazione della terza combinazione di due giunti rotoidali à ̈ disposto ad una distanza L2dal punto di intersezione O2degli assi di rotazione della seconda coppia;

− l’asse del terzo giunto rotoidale ossia il primo della seconda combinazione di due giunti rotoidali à ̈ disposto parallelo all’asse del secondo giunto rotoidale, ossia il secondo giunto rotoidale della prima combinazione di due giunti rotoidali;

− l’asse del quinto giunto rotoidale, ossia il primo giunto rotoidale della terza combinazione di due giunti rotoidali à ̈ disposto ortogonale e incidente con l’asse del quarto giunto rotoidale ossia il secondo giunto rotoidale della seconda combinazione di due giunti rotoidali;

− detto elemento mobile di interazione essendo solidale con la parte mobile del sesto giunto rotoidale ossia il secondo giunto rotoidale della terza combinazione di due giunti rotoidali e conformato in modo tale che, quando connesso al segmento mediale dell’arto dell’utente, detto punto di intersezione O3cada sulla congiungente dell’articolazione mediale e dell’articolazione distale dell’arto.

In particolare, i mezzi per fissare il segmento mediale all’elemento di interazione possono comprendere una manopola impugnabile dalla mano dell’utente, detta manopola essendo solidale a detto elemento di interazione ed essendo avvicinabile/allontanabile rispetto all’asse di rotazione di detto sesto giunto rotoidale della sezione primaria del meccanismo.

Vantaggiosamente, nel caso dell’arto superiore, la sezione primaria del meccanismo comprende, inoltre, un settimo ed un ottavo giunto rotoidale.

In particolare, il settimo e l’ottavo giunto rotoidale presentano le seguenti caratteristiche:

− i rispettivi assi di rotazione sono incidenti e ortogonali in un punto O4, sostanzialmente coincidente con l’articolazione del polso e, quindi, posto ad una definita distanza L3da O3, registrabile in funzione delle dimensioni antropometriche dell’utente;

− la parte fissa del settimo giunto rotoidale à ̈ solidale con detto elemento mobile di interazione;

− l’asse del settimo giunto rotoidale à ̈ ortogonale e incidente alla congiungente dell’articolazione del gomito con quella del polso;

− la parte mobile dell’ottavo giunto rotoidale à ̈ solidale con una manopola impugnabile dalla mano dell’utente.

In tal modo, il dispositivo consente di acquisire anche i movimenti della mano rispetto all’avambraccio, ampliando la gamma dei movimenti eseguibili. Preferibilmente, l’asse del settimo giunto rotoidale à ̈ sostanzialmente coincidente con l’asse dell’articolazione di flessione-estensione del polso.

Preferibilmente, l’asse dell’ottavo giunto rotoidale à ̈ coincidente con l’asse dell’articolazione di abduzioneabduzione del polso.

Vantaggiosamente, detto elemento mobile di interazione à ̈ provvisto di una superficie conformata a culla, detta culla essendo atta ad accogliere detto segmento mediale. La cinematica realizzata come sopra descritto consente di inseguire in modo completo e senza limitazioni tutti i movimenti dell’arto superiore dell’operatore ed in particolare quelli dell’avambraccio rispetto a un riferimento fisso e quelli della mano rispetto all’avambraccio. Infatti, i primi 6 gradi di libertà, consentono di inseguire qualsiasi posizione e orientazione assunta dall’avambraccio rispetto ad un riferimento fisso, mentre il settimo e l’ottavo grado di libertà, consentono di inseguire qualsiasi orientazione della mano rispetto all’avambraccio.

Vantaggiosamente, detta sezione secondaria di detto meccanismo à ̈ un pantografo comprendente un parallelogramma articolato.

In particolare, il parallelogramma articolato comprende:

− 4 giunti rotoidali secondari aventi rispettivi assi di rotazione, detti assi di rotazione essendo paralleli all’asse di rotazione del secondo giunto rotoidale di detta sezione primaria, in cui l’asse del primo giunto rotoidale secondario del parallelogramma articolato passa per il punto O2;

− 4 link rigidi secondari congiungenti a due a due i giunti rotoidali secondari.

In particolare, il primo link rigido secondario di detti 4 link rigidi secondari à ̈ solidale alla congiungente di detti punti O1e O2di detta sezione primaria ed il secondo link rigido secondario di detti 4 link rigidi secondari à ̈ solidale alla congiungente di detti punti O2ed O3 di detta sezione primaria.

In particolare, l’asse del secondo giunto rotoidale secondario dei suddetti 4 giunti rotoidali secondari del parallelogramma articolato incide la congiungente di detti punti O1e O2di detta sezione primaria di detto meccanismo in un punto O2’ disposto da parte opposta al primo giunto rotoidale secondario rispetto al punto O1.

Inoltre, la retta di minima distanza tra l’asse del secondo giunto rotoidale secondario e del terzo giunto rotoidale secondario à ̈ parallela alla congiungente dei detti punti O2e O3di detta sezione primaria di detto meccanismo.

Il terzo link rigido secondario, congiungente il secondo giunto rotoidale secondario con il terzo giunto rotoidale secondario del parallelogramma articolato, à ̈ dotato di un punto di carico O3’ posto sulla retta di minima distanza tra il secondo giunto rotoidale secondario e il terzo giunto rotoidale secondario e tale che la congiungente O3-O3’ passi per il punto O1.

La retta di minima distanza tra l’asse del terzo giunto rotoidale secondario e l’asse del quarto giunto rotoidale secondario à ̈ parallela alla congiungente detti punti O1e O2di detta sezione primaria di detto meccanismo.

Il quarto link rigido secondario congiunge il terzo giunto rotoidale secondario con il quarto giunto rotoidale secondario.

In tal modo, in virtù della proprietà geometrica del pantografo, il rapporto dei segmenti O3-O1e O1-O3’ risulta costante in tutte le configurazioni assunte dal pantografo. Quindi, l’applicazione in O3’ di un carico bilanciante costante verticale diretto verso il basso, produce una forza bilanciante costante verticale diretta verso l’alto in O3ad esso proporzionale.

Vantaggiosamente, detti mezzi di generazione di un carico verticale sostanzialmente costante comprendono un contrappeso.

In alternativa, detti mezzi di generazione comprendono un elemento elastico, ad esempio una molla di trazione elicoidale, avente una prima estremità connessa al punto O3’ ed una seconda estremità connessa ad un punto fisso del dispositivo.

Vantaggiosamente, l’elemento elastico à ̈ previsto ad elevata cedevolezza e opportunamente precaricato.

Vantaggiosamente, almeno una delle prime due combinazioni di due giunti rotoidali della sezione primaria di detto meccanismo à ̈ implementata come un giunto di torsio-flessione.

Preferibilmente, detto, o ciascun, giunto di torsioflessione comprende un corpo centrale, un elemento basculante rotante rispetto a detto corpo centrale intorno ad un asse di flessione e un albero rotante rispetto a detto corpo centrale intorno ad una asse di torsione, essendo detto asse di flessione ortogonale e incidente con detto asse di torsione.

Vantaggiosamente, detto albero e detto elemento basculante sono cavi per consentire il passaggio di eventuali cavi elettrici all’interno del giunto di torsioflessione.

Vantaggiosamente, l’implementazione del quinto e del sesto giunto rotoidale di detta sezione primaria di detto meccanismo à ̈ ottenuta mediante l’impiego di un meccanismo a centro remoto di rotazione, la cui parte mobile incorpora i cuscinetti del sesto giunto rotoidale. Tale soluzione realizzativa presenta il vantaggio di non richiedere l’inserzione del segmento mediale dell’arto dell’utente nella struttura del dispositivo, operazione questa che può risultare difficoltosa specialmente per persone che presentano una scarsa capacità motoria.

Preferibilmente, il meccanismo a centro remoto di rotazione comprende due parallelogrammi articolati, essendo il secondo cinematicamente dipendente dal primo.

Vantaggiosamente, sono previsti, inoltre, mezzi per rilevare istantaneamente la posizione angolare di detti giunti rotoidali di detta sezione primaria di detto meccanismo. In tal modo, si realizza un dispositivo sensorizzato atto ad essere utilizzato in combinazione con un sistema di generazione di ambienti virtuali, per facilitare l’esecuzione di esercizi di riabilitazione o di training, di monitorare tali esercizi e di fornire dei feedback sensoriali all’utente/paziente.

Preferibilmente, tali mezzi per rilevare istantaneamente la posizione angolare di ciascun giunto rotoidale comprendono un sensore di campo magnetico, quale ad esempio un sensore ad effetto Hall, ed un magnete permanente per ogni giunto.

In particolare, ciascun giunto rotoidale comprende un primo membro ed un secondo membro girevolmente connessi tra loro.

Vantaggiosamente, i mezzi per rilevare la posizione di ciascun giunto rotoidale comprendono un magnete solidale al primo membro di un giunto rotoidale ed un sensore ad effetto Hall solidale al secondo membro del medesimo giunto rotoidale.

Preferibilmente, il magnete presenta una geometria cilindrica, detta geometria cilindrica avendo un asse longitudinale.

In particolare, la geometria cilindrica del magnete può essere scelta tra:

− geometria cilindrica piena;

− geometria cilindrica anulare.

In particolare, l’asse del magnete à ̈ parallelo all’asse di rotazione del giunto rotoidale al quale à ̈ associato.

Vantaggiosamente, l’asse del magnete à ̈ disposto ad una determinata distanza dall’asse di rotazione del secondo membro.

Vantaggiosamente, il magnete à ̈ magnetizzato in direzione diametrale.

In particolare, il magnete presenta una direzione di magnetizzazione ortogonale alla direzione di eccentricità.

Vantaggiosamente, il sensore ad effetto Hall presenta un punto sensibile, detto punto sensibile giacendo sul piano ortogonale a detto asse di detto magnete e passante per la mezzeria della sua altezza.

In particolare, durante la rotazione del secondo membro attorno all’asse di rotazione il sensore ad effetto di Hall descrive una traiettoria circolare attorno ad un punto O, detto sensore avendo una direzione di sensibilità ortogonale a detta traiettoria circolare.

Rispetto alle tecniche di sensorizzazione note, la soluzione adottata consente di realizzare una sensorizzazione assoluta della posizione angolare della coppia rotoidale e quindi non richiede una procedura di azzeramento degli assi, necessaria nel caso siano impiegati, ad esempio, encoder incrementali.

Inoltre, operando una trasduzione continua della posizione angolare, la risoluzione del sensore à ̈ virtualmente infinita, ovvero limitata unicamente dal livello di rumore elettrico del sensore ad effetto Hall e dell’elettronica di acquisizione e conversione analogico/digitale. Con un’opportuna scelta del sensore ad effetto di Hall e un’implementazione adeguata dell’elettronica di acquisizione e conversione à ̈ possibile ottenere delle risoluzioni di 15-16 bit su un range angolare di 180° (corrispondenti a 0.1- 0.05 millesimi di radiante), difficilmente raggiungibili anche dai migliori encoder assoluti. Elevate risoluzioni consentono di ottenere una maggiore stabilità della rappresentazione grafica della mano/braccio in un ambiente virtuale.

Un ulteriore vantaggio à ̈ rappresentato dal numero ridotto di componenti e dall’assenza di parti striscianti, presenti invece, ad esempio, nei potenziometri. Ciò consente di ottenere sensori estremamente affidabili, con prestazioni inalterate nel tempo.

In aggiunta a quanto sopra, l’utilizzo di componenti di larga diffusione, quali magneti cilindrici/anulari e sensori ad effetto Hall, consente di contenere sensibilmente il costo del sensore. In particolare, rispetto agli encoder assoluti con risoluzione paragonabile, il costo à ̈ di ordini di grandezza inferiore.

Infine, il ridotto numero di componenti e la notevole flessibilità del dimensionamento dei parametri geometrici consente un’agevole integrazione nei dispositivi articolati, consentendo di raggiungere un elevato grado di compattezza.

In particolare, il link di detto meccanismo in corrispondenza del quale i mezzi di generazione generano detto carico verticale sostanzialmente costante à ̈ disposto da parte opposta a detto elemento mobile di interazione rispetto a detto primo giunto rotoidale di detta sezione primaria.

In alternativa, il link di detto meccanismo in corrispondenza del quale i mezzi di generazione generano detto carico verticale sostanzialmente costante à ̈ disposto dalla stessa parte di detto elemento mobile di interazione rispetto a detto primo giunto rotoidale di detta sezione primaria. In particolare, il carico verticale può essere applicato alla sezione secondaria in un punto O3†compreso tra O1e O3. In tal modo, il meccanismo applica in corrispondenza del punto O3una forza verticale F diretta verso il basso e quindi aumenta gli sforzi articolari sull’arto permettendo di utilizzare il dispositivo come macchina da allenamento, o fitness.

In particolare, il carico à ̈ solidale ad un link di collegamento girevolmente connesso a detto primo e a detto terzo link secondari.

Breve descrizione dei disegni

L’invenzione verrà di seguito illustrata con la 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 mostra uno schema cinematico del dispositivo, secondo l’invenzione, per l’allevio degli sforzi articolari derivanti dal peso proprio degli arti umani;

- la figura 2 mostra in una vista prospettica in elevazione laterale una possibile forma realizzativa del dispositivo, secondo l’invenzione, per il bilanciamento del peso proprio degli arti umani;

- la figura 3 mostra il dispositivo di figura 1 in una vista in elevazione laterale;

- la figura 4 mostra schematicamente le proprietà geometriche del pantografo impiegato nel dispositivo di figura 2;

- la figura 5A mostra una possibile schematizzazione dell’arto superiore dell’operatore in 3 segmenti;

- le figure dalla 5B alla 5D mostrano una possibile schematizzazione dell’arto superiore dell’operatore in 2 segmenti;

- le figure 6 e 7 mostrano in una vista in pianta ed in uno schema cinematico una possibile implementazione adottabile per il quinto ed il sesto giunto rotoidale del dispositivo di figura 2;

- la figura 8 mostra in una vista prospettica il dispositivo, secondo l’invenzione, in una configurazione di esercizio;

- la figura 9 mostra in una vista in sezione una forma realizzativa prevista dall’invenzione per una combinazione di due giunti rotoidali;

- la figura 10 mostra uno schema di principio di una tecnica di sensorizzazione adottabile dal dispositivo; - le figure 11 e 12 mostrano schematicamente, rispettivamente in una vista prospettica ed in una vista in elevazione laterale, una possibile variante del dispositivo di figura 1, nel caso di impiego come macchina per allenamento, o fitness.

Descrizione dettagliata di alcune forme realizzative In figura 1 à ̈ schematicamente illustrato un dispositivo 1, secondo l’invenzione, per compiere esercizi fisici di riabilitazione, o allenamento, di un arto, ad esempio dell’arto superiore 40, di un operatore 150.

Il dispositivo 1 comprende una base fissa 10, ad esempio avente un basamento 15 che in uso poggia su una superficie di sostegno, ed un elemento mobile di interazione 60.

In particolare, l’elemento mobile di interazione 60 à ̈ atto ad essere disposto in contatto e solidale con un segmento mediale 42, o 142, a seconda che si tratti dell’arto superiore 40, o dell’arto inferiore 140, rispettivamente, dell’operatore 150. Il segmento mediale à ̈ compreso tra un articolazione mediale ed una articolazione distale. Nel caso dell’arto superiore 40 il segmento mediale corrisponde all’avambraccio dell’operatore 150 compreso tra l’articolazione del gomito E e l’articolazione del polso W. Nel caso in cui l’arto interessato sia l’arto inferiore 140 dell’operatore 150, invece, il segmento mediale corrisponde alla gamba 142 compresa tra l’articolazione del ginocchio K e l’articolazione della caviglia A (figura 8).

Più in dettaglio, l’elemento mobile di interazione 60 à ̈ operativamente connesso alla base 10 mediante un meccanismo comprendente una sezione primaria S1, indicata in figura 1 a linea continua, provvista di una pluralità di coppie cinematiche, ad esempio 6 giunti rotoidali 21-26, connessi da link rigidi 12-16. La sezione primaria S1 del meccanismo consente di muovere l’elemento mobile di interazione 60 in uno spazio di lavoro rispetto alla base fissa 10. I 6 giunti rotoidali 21-26 forniscono 3 gradi di libertà di traslazione e 3 gradi di libertà di rotazione all’elemento mobile di interazione 60 rispetto alla base fissa 10.

Il meccanismo comprende, inoltre, una sezione secondaria S2, indicata in figura 1 con linea a tratto discontinuo, cinematicamente dipendente dalla sezione primaria S1. Pertanto, la sezione secondaria S2non aggiunge gradi di libertà rispetto alla sezione primaria S1.

Il dispositivo 1 comprende, inoltre, mezzi di generazione di un carico verticale C sostanzialmente costante in corrispondenza di un punto O3’ solidale ad un link della sezione secondaria S2. Più in dettaglio, i mezzi 30’ di generazione del carico C ed il suddetto meccanismo sono atti ad applicare una forza verticale F proporzionale al carico C, e pertanto costante, in un determinato punto di bilanciamento 45 che à ̈ solidale al segmento mediale dell’operatore 150, ad esempio all’avambraccio 42, e che giace sulla congiungente dell’articolazione mediale con l’articolazione distale ed à ̈ posto ad una determinata distanza xFdall’articolazione mediale dell’arto.

Pertanto, nel caso di un braccio 40, il punto di bilanciamento 45 giace sulla congiungente dell’articolazione del gomito E con l’articolazione del polso W e la sua distanza xFdall’articolazione mediale à ̈ compresa tra 80 mm e 130 mm, vantaggiosamente tra 85 mm e 125 mm, preferibilmente tra 88 mm e 120 mm (figura 5).

Nel caso di un arto inferiore 140 il punto di bilanciamento 145 à ̈, invece, disposto sulla congiungente dell’articolazione del ginocchio K e della caviglia A (figura 8).

In particolare, la posizione del punto di bilanciamento 45 à ̈ sostanzialmente definita in funzione delle dimensioni antropometriche dell’arto 40, o 140, dell’operatore 150 e delle masse dei segmenti dell’arto.

La posizione xFdel punto di applicazione della forza F può essere determinata applicando, ad esempio all’arto superiore 40, la tecnica di bilanciamento come di seguito illustrata.

Secondo la tecnica di bilanciamento adottata, l’arto superiore 40 dell’utente 150 può essere schematizzato come costituito da 3 segmenti e precisamente il braccio 41 articolato al tronco 155 tramite l’articolazione della spalla S, l’avambraccio 42 articolato al braccio 41 tramite l’articolazione del gomito E ed una mano 43 articolata all’avambraccio 42 tramite l’articolazione del polso W.

Ipotizzando che il baricentro 41g del braccio 41 cada sulla congiungente SE e che l’ampiezza dei movimenti della mano 43 rispetto all’avambraccio 42 e il rapporto delle masse dell’avambraccio 42 e della mano 43 siano tali che il baricentro dei segmenti 42 e 43 cada sostanzialmente su un punto fisso G posto sulla congiungente EW, à ̈ possibile annullare le coppie articolari necessarie al bilanciamento del peso proprio dell’arto superiore 40 applicando una singola forza F costante e verticale in un definito punto che giace sulla congiungente EW.

Infatti, in base alle suddette ipotesi, l’arto superiore 40 dell’utente 150 à ̈ schematizzabile con due soli segmenti, ovvero il braccio 41 e l’avambraccio 42 tra loro articolati in E, come schematizzato nelle figure 5B, 5C e 5D.

Indicando con l1UAla distanza tra l’articolazione prossimale e il baricentro del segmento prossimale, con l2UAla distanza tra l’articolazione mediale e il baricentro del segmento prossimale, con l1FAla distanza tra l’articolazione mediale e il baricentro dell’insieme del segmento mediale e del segmento distale, con Ppil peso del segmento prossimale e con Pdil peso dell’insieme del segmento mediale e del segmento distale ed impostando l’equilibrio dei due segmenti, ossia del braccio 41 e del segmento ottenuto combinando l’avambraccio 42 con la mano 43 con l’approssimazione sopra descritta, si deve avere nell’ipotesi di coppie articolari nulle:

da cui:

e

e:

Le condizioni di equilibrio ricavate dimostrano che per un certo utente à ̈ possibile bilanciare il peso del suo arto superiore nell’intero spazio di lavoro, utilizzando una singola forza costante verticale di valore definito e applicata in un definito punto sulla congiungente EW, ossia dell’articolazione del gomito e del polso. Per studiare la variabilità di questi parametri tra differenti pazienti, à ̈ conveniente normalizzare le espressioni precedentemente ricavate come riportato di seguito:

Dove:

e

dove:

Ipotizzando che tra i vari soggetti ci sia una sostanziale invarianza dei rapporti antropometrici, si osserva che la forza di equilibramento F à ̈ direttamente proporzionale alla somma dei pesi dell’avambraccio e della mano, mentre il suo punto di applicazione xF à ̈ direttamente proporzionale alla distanza del baricentro del secondo segmento dall’articolazione del gomito.

Tuttavia, mentre il coefficiente di proporzionalità di F à ̈ sensibilmente maggiore dell’unità, quello di xFà ̈ sensibilmente minore dell’unità. Questa condizione unita alle dimensioni relativamente ridotte di L1FAporta ad una variabilità di xFin termini assoluti di circa 30 mm passando da una statura minima dell’utente di 160 cm ad una massima di 200 cm.

In conclusione, in base alle ipotesi fatte, le coppie articolari necessari al bilanciamento del peso proprio dell’arto superiore di un’intera popolazione di pazienti, compresi tra una statura minima di 160 cm e una massima di 200 cm, sono annullabili nell’intero spazio di lavoro dell’arto superiore, tramite un dispositivo che sia in grado di generare in quello spazio di lavoro una forza verticale costante, il cui valore à ̈ modificabile, all’inizio della seduta di riabilitazione, in funzione del peso dell’arto dell’utente e il cui punto di applicazione sull’avambraccio à ̈ posto sulla congiungente tra l’articolazione del gomito e quella del polso ed à ̈ modificabile in un campo di circa 30mm.

Dal punto di vista della complessità implementativa del dispositivo, à ̈ importante notare che qualora si adotti una soluzione che non consenta la modifica della posizione del punto di applicazione della forza verticale di bilanciamento sulla congiungente EW, gli effetti di sbilanciamento conseguenti possono essere resi del tutto trascurabili con un opportuno dimensionamento del dispositivo.

Infatti, qualora si adottino delle soluzioni implementative che non consentano la regolazione la distanza del punto di applicazione della forza verticale rispetto a W, se questa distanza à ̈ dimensionata per la statura media (180cm) della popolazione di pazienti considerata, la divergenza massima rispetto alla posizione ideale risulterebbe di circa 15mm, a cui corrisponderebbe una coppia massima di sbilanciamento, nel caso di massima forza di equilibratura del braccio (circa 30 N), di soli 0,45Nm.

I 6 giunti rotoidali 21-26 aventi rispettivi assi di rotazione 101-106 e connessi mediante una pluralità di link rigidi 12-16 possono essere combinati a due a due in modo da formare una prima combinazione di giunti rotoidali 21,22, una seconda combinazione di giunti rotoidali 23,24 ed una terza combinazione di giunti rotoidali 25,26. Gli assi di rotazione 101-102, 103-104 e 105-106 di ciascuna combinazione di giunti rotoidali 21-22, 23-24 e 25-26 sono sostanzialmente ortogonali e incidenti in tre rispettivi punti O1, O2e O3.

Più precisamente, l’asse di rotazione 101 del primo giunto rotoidale 21 à ̈ orientato lungo una direzione sostanzialmente verticale, mentre l’asse di rotazione 102 del secondo giunto rotoidale 22 à ̈ orientato lungo una direzione orizzontale. I due assi 101 e 102 della prima combinazione di giunti rotoidali 21 e 22 sono incidenti nel punto O1. L’asse di rotazione 103 del terzo giunto rotoidale 23 à ̈ orientato lungo una direzione orizzontale, mentre l’asse di rotazione del quarto giunto rotoidale 24 à ̈ orientato lungo una direzione verticale. I due assi 103 e 104 della seconda combinazione di giunti 23 e 24 si incontrano nel punto O2disposto ad una determinata distanza L1 dal punto O1. In particolare, l’asse 103 del giunto rotoidale 23 à ̈ disposto parallelo all’asse 102 del giunto rotoidale 22. Infine, gli assi di rotazione 105 e 106 del quinto e del sesto giunto rotoidale 25 e 26 giacciono entrambi su un piano orizzontale e sono incidenti nel punto O3disposto ad una determinata distanza L2da O2. In particolare, l’asse 105 del giunto rotoidale 25 à ̈ disposto ortogonale ed incidente con l’asse 104 del giunto rotoidale 24. L’elemento mobile di interazione 60 à ̈ solidale alla parte mobile del sesto giunto rotoidale 26, ossia al secondo giunto della terza combinazione di giunti rotoidali, ed à ̈ conformato in modo tale che quando connesso al segmento mediale 42, il punto O3cade sulla congiungente dell’articolazione mediale, ossia del gomito E, e dell’articolazione distale, ossia del polso W.

In una forma realizzativa vantaggiosa, la sezione primaria S1comprende, inoltre, un settimo ed un ottavo giunto rotoidale 27 e 28 aventi rispettivi assi di rotazione 107 e 108 sostanzialmente ortogonali. Più in dettaglio, il settimo e l’ottavo giunto rotoidale 27 e 28 sono incidenti in un punto O4, sostanzialmente coincidente con l’articolazione del polso W dell’operatore 150 e, quindi, posto ad una definita distanza L3da O3, registrabile in funzione delle dimensioni antropometriche dell’utente.

In questo caso, l’elemento mobile di interazione 60 à ̈ solidale con la parte fissa del giunto rotoidale 27. L’asse 107 del giunto rotoidale 27 à ̈, inoltre, ortogonale alla congiungente EW dell’articolazione del gomito E con quella del polso W mentre la parte mobile dell’ottavo giunto rotoidale 28 à ̈ solidale con una manopola 158 impugnabile dalla mano 43 dell’utente.

L’asse di rotazione 107 del settimo giunto rotoidale 27 à ̈ sostanzialmente coincidente con l’asse del movimento di flesso-estensione del polso, mentre l’asse di rotazione 108 dell’ottavo giunto rotoidale 28 à ̈ sostanzialmente coincidente con l’asse di abduzione-adduzione del polso. Questa soluzione realizzativa del dispositivo 1 consente di acquisire anche i movimenti della mano 43 rispetto all’avambraccio 42, ampliando la gamma dei movimenti eseguibili. In una forma realizzativa prevista, la manipola 158 à ̈ prevista avvicinabile/allontanabile rispetto all’asse di rotazione 106 del sesto giunto rotoidale 26 della sezione primaria S1 del meccanismo.

L’elemento di interazione 60 può essere provvisto di una superficie conformata a culla. La forma a culla consente una migliore distribuzione della pressioni di contatto e quindi una migliore ergonomicità dell’elemento di interazione 60.

In una forma realizzativa particolarmente vantaggiosa, la sezione secondaria S2 comprende un parallelogramma articolato 100. Con riferimento alle figure 2 e 3, il parallelogramma articolato 100 comprende 4 giunti rotoidali secondari 61-64 aventi rispettivi assi di rotazione secondari 201-204 e collegati a due a due da 4 link rigidi 71-74. In particolare, gli assi di rotazione secondari 201-204 sono paralleli all’asse di rotazione 102 del secondo giunto rotoidale 22 della sezione primaria del meccanismo ed il giunto rotoidale 61 passa per il punto O2.

Il link rigido 71 Ã ̈ solidale alla retta congiungente i punti O1e O2della sezione primaria ed il link rigido 72 Ã ̈ solidale alla congiungente i punti O2ed O3.

L’asse di rotazione 202 del secondo giunto rotoidale 62 del parallelogramma articolato 100 incide la congiungente dei punti O1e O2della sezione primaria S1 in un punto O2’ disposto da parte opposta al primo giunto rotoidale 61 rispetto al punto O1. Inoltre, la retta di minima distanza 252 tra l’asse 202 del secondo giunto rotoidale 62 e l’asse 203 del terzo giunto rotoidale 63 à ̈ parallela alla congiungente dei punti O2e O3.

Il terzo link rigido secondario 73 congiunge il secondo giunto rotoidale secondario 62 con il terzo giunto rotoidale secondario 63 del parallelogramma articolato ed à ̈ dotato di un punto di carico O3’ posto sulla retta di minima distanza 252 tra il giunto rotoidale secondario 62 e il terzo giunto rotoidale secondario 63 e tale che la congiungente O3-O3’ passi per il punto O1.

La retta di minima distanza 254 tra l’asse 203 del terzo giunto rotoidale secondario 63 e l’asse 204 del quarto giunto rotoidale secondario 64 à ̈ parallela alla congiungente dei punti O1e O2di detta sezione primaria di detto meccanismo.

Il quarto link rigido secondario 74 congiunge il terzo giunto rotoidale secondario 63 con il quarto giunto rotoidale secondario 64.

Il dispositivo 1 prevede un contrappeso 35, in particolare applicato in O2’, atto ad equilibrare il peso delle parti componenti sia della sezione primaria S1 che della sezione secondaria S2.

In tal modo, in virtù della proprietà geometrica del pantografo, il rapporto dei segmenti O3-O1e O1-O3’ risulta costante in tutte le configurazioni assunte dal pantografo 100. Quindi, l’applicazione in O3’ di un carico C costante, verticale e diretto verso il basso produce in O3una forza F verticale, diretta verso l’alto, costante in tutto lo spazio di lavoro e proporzionale al carico C.

Il carico verticale costante C può essere generato utilizzando un contrappeso 30’ applicato in O3’, oppure, in alternativa, utilizzando un elemento elastico, ad esempio una molla di trazione elicoidale ad elevata cedevolezza, caso non mostrato in figura. In particolare, l’elemento elastico può essere opportunamente precaricato. In questo caso, la molla à ̈ prevista avente una prima estremità connessa al punto O3’ ed una seconda estremità connessa ad un punto fisso del dispositivo 1.

Il dispositivo 1 realizzato come sopra descritto ed illustrato nelle figure dalla 1 alla 9 consente di inseguire in modo completo e senza limitazioni tutti i movimenti dell’arto dell’operatore 150. In particolare, nel caso dell’arto superiore 40, à ̈ possibile inseguire i movimenti dell’avambraccio 42 rispetto a un riferimento fisso e quelli della mano 43 rispetto all’avambraccio 42. Infatti, i primi 6 gradi di libertà, ossia quelli determinati dai primi 6 giunti rotoidali 21-26, consentono di inseguire qualsiasi posizione e orientazione assunta dall’avambraccio 42 rispetto ad un riferimento fisso, mentre il settimo e l’ottavo grado di libertà, ossia i 2 gradi di libertà determinati dai giunti rotoidali 27 e 28, consentono di inseguire qualsiasi orientazione della mano 43 rispetto all’avambraccio 42. In definitiva dunque, utilizzando il dispositivo 1 come sopra descritto à ̈ possibile inseguire tutti i movimenti possibili dell’arto superiore 40 dell’operatore 150 e ridurre/annullare le coppie articolari necessarie al bilanciamento del suo peso nello spazio di lavoro naturale dell’arto.

In una forma realizzativa particolarmente vantaggiosa illustrata in dettaglio nelle figure 6 e 7, il quinto giunto rotoidale 25 à ̈ realizzato mediante un meccanismo a centro remoto di rotazione in modo tale che l’asse di rotazione 105 coincida con l’asse di rotazione dell’avambraccio 42 dell’operatore 150. In particolare, come mostrato in figura 7 la parte mobile del meccanismo a centro remoto di rotazione incorpora i cuscinetti del sesto giunto rotoidale 26. Tale soluzione realizzativa presenta il vantaggio di non richiedere l’inserzione della parte terminale dell’arto superiore 40 dell’operatore 150 nella struttura del dispositivo, operazione questa che può risultare difficoltosa specialmente per persone che presentano una scarsa capacità motoria.

Con riferimento alla figura 9, in una particolare forma realizzativa prevista le prime due combinazioni di due giunti rotoidali 21,22 e 23,24 della sezione primaria S1 del meccanismo sono implementate in modo identico tramite due rispettivi giunti di torsio-flessione 250.

In particolare, ciascun giunto di torsio-flessione 250 comprende un corpo centrale 251, un elemento basculante 252 rotante rispetto al corpo centrale 251 intorno ad un asse di flessione 253 e un albero 254 rotante rispetto al corpo centrale 251 intorno ad una asse di torsione 255. In particolare, l’asse di flessione 253 à ̈ ortogonale e incidente con l’asse di torsione 255.

In particolare, l’albero 254 e l’elemento basculante 252 possono essere cavi per consentire il passaggio di eventuali cavi elettrici all’interno del giunto di torsioflessione 250. L’impiego di giunti di torsio-flessione 250, come sopra descritto ed illustrato in figura 9, consente di semplificare notevolmente il dispositivo 1 e di ridurne notevolmente i costi di produzione.

Il dispositivo 1 comprende, inoltre, mezzi per rilevare istantaneamente la posizione angolare dei giunti rotoidali 21-28 della sezione primaria S1 del meccanismo. In particolare, i mezzi per rilevare istantaneamente la posizione dei giunti rotoidali 21-28 possono comprendere un sensore ad effetto Hall 81-88 atto a rilevare la posizione di un rispettivo magnete 91-98.

Più precisamente, ciascun giunto rotoidale 21-28 comprende un primo membro 21a-28a ed un secondo membro 21b-28b girevolmente connesso ad esso.

Ad esempio, con riferimento alla figura 9, nell’ipotesi che il giunto torsio-flessionale 250 sia quello relativo alla combinazione del giunto rotoidale 21 e del giunto rotoidale 22, il magnete 91 à ̈ montato solidale al membro 21a del giunto rotoidale 21 ed il sensore ad effetto Hall 81 à ̈ montato solidale al membro 21b del medesimo giunto rotoidale 21.

In una forma preferita, il magnete 91 presenta forma cilindrica piena, o anulare, e l’asse del magnete 191 à ̈ parallelo all’asse di rotazione 101 del giunto 21, ma disposto in una posizione eccentrica ad esso. La direzione di magnetizzazione del magnete 91 à ̈, inoltre, previsto ortogonale alla direzione di eccentricità.

Come mostrato schematicamente in figura 10, durante la rotazione del membro mobile 91b-98b attorno al rispettivo asse 101-108, il sensore ad effetto di Hall 81-88 descrive una traiettoria circolare 181-188 attorno ad un punto O e presenta una direzione di sensibilità 81’-88’ ortogonale a detta traiettoria circolare il punto sensibile del sensore ad effetto Hall 81 giace sul piano ortogonale all’asse del magnete e passante per la mezzeria della sua altezza.

Nelle figure 11 e 12 à ̈ mostrata una applicazione del dispositivo 1 come macchina da allenamento, o fitness. In particolare, applicando il carico C in corrispondenza di un link compreso tra il punto O1e l’elemento mobile di interazione 60 si produce in O3una forza F’ diretta verso il basso, ossia una forza che aumenta gli sforzi articolari sull’arto 40.

In particolare, il carico verticale C’ può essere applicato alla sezione secondaria in un punto O3†compreso tra O1 e O3. In tal caso, il carico C’ può essere solidale ad un link di collegamento 170 girevolmente connesso al link 71 ed al link 73 della sezione secondaria S2.

La descrizione di cui sopra di una forma realizzativa specifica à ̈ in grado di mostrare l'invenzione dal punto di vista concettuale in modo che altri, utilizzando la tecnica nota, potranno modificare e/o adattare in varie applicazioni tale forma realizzativa specifica senza ulteriori ricerche e senza allontanarsi dal concetto inventivo, e, quindi, si intende che tali adattamenti e modifiche saranno considerabili come equivalenti della forma realizzativa specifica. I mezzi e i materiali per realizzare le varie funzioni descritte potranno essere di varia natura senza per questo uscire dall’ambito dell’invenzione. Si intende che le espressioni o la terminologia utilizzate hanno scopo puramente descrittivo e per questo non limitativo.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di allevio del peso proprio di un arto umano, detto arto comprendendo un segmento prossimale articolato a un tronco tramite una articolazione prossimale, un segmento mediale articolato al segmento prossimale tramite una articolazione mediale e un segmento distale articolato al segmento mediale tramite una articolazione distale, detto dispositivo comprendendo: − una base fissa; − un elemento mobile di interazione atto a essere posto in contatto solidale con detto segmento mediale; − un meccanismo comprendente una pluralità di coppie cinematiche tra loro connesse da link rigidi, detto meccanismo essendo atto a connettere operativamente detto elemento mobile di interazione con detta base, in cui detto meccanismo, mediante detta pluralità di coppie cinematiche, fornisce a detto elemento mobile di interazione 3 gradi di libertà di traslazione e 3 gradi di libertà di rotazione rispetto a detta base fissa in uno spazio di lavoro sostanzialmente coincidente con quello naturale di detto segmento mediale; − mezzi di generazione di un carico verticale sostanzialmente costante in corrispondenza di un definito punto solidale con un link di detto meccanismo; caratterizzato dal fatto che detti mezzi di generazione e detto meccanismo sono atti a applicare una forza verticale, che à ̈ proporzionale a detto carico verticale fisso e quindi sostanzialmente costante in detto spazio di lavoro, in corrispondenza di un punto di bilanciamento che à ̈ solidale con detto segmento mediale e che giace su una retta congiungente l’articolazione mediale e l’articolazione distale, detto punto di bilanciamento essendo disposto ad una distanza xFda detta articolazione mediale che à ̈ compresa tra 80 mm e 130 mm.
2. 2. Dispositivo, secondo la rivendicazione 1, in cui detta distanza xFà ̈ sostanzialmente definita in funzione delle dimensioni antropometriche di detto arto e delle masse dei segmenti di detto arto secondo la formula seguente: dove: − l1UAà ̈ la distanza tra l’articolazione prossimale e il baricentro del segmento prossimale; − l2UAà ̈ la distanza tra l’articolazione mediale e il baricentro del segmento prossimale; − l1FAà ̈ la distanza tra l’articolazione mediale e il baricentro dell’insieme del segmento mediale e del segmento distale; − Ppà ̈ il peso del segmento prossimale; − Pdà ̈ il peso dell’insieme del segmento mediale e del segmento distale.
3. 3. Dispositivo, secondo la rivendicazione 1, in cui detto meccanismo comprende: − una sezione primaria comprendente almeno 6 coppie cinematiche indipendenti, detta sezione primaria essendo atta a consentire la completa mobilità, ossia 3 gradi di libertà traslazionali e 3 gradi di libertà rotazionali, in detto spazio di lavoro di detto elemento di interazione rispetto a detta base fissa; − una sezione secondaria atta a trasmettere detto carico verticale su detto elemento di interazione trasformandone intensità e direzione, e quindi applicando detta forza verticale in detto punto di bilanciamento, in modo tale che detta forza verticale sia costante in detto spazio di lavoro, detta sezione secondaria essendo cinematicamente dipendente da detta sezione primaria, ossia non aggiungendo gradi di libertà a detto meccanismo.
4. 4. Dispositivo, secondo la rivendicazione 1, in cui detta sezione primaria di detto meccanismo comprende 6 giunti rotoidali, in particolare detti 6 giunti rotoidali di detta sezione primaria essendo combinati a due a due in modo da formare una prima, una seconda e una terza combinazione di giunti rotoidali, tali che: − gli assi di rotazione dei giunti rotoidali di ciascuna combinazione di due giunti rotoidali sono tra loro ortogonali ed incidenti in tre rispettivi punti distinti O1, O2, O3; − l’asse del primo giunto rotoidale della prima combinazione di due giunti rotoidali à ̈ disposto in direzione verticale; − il punto di intersezione O2degli assi di rotazione della seconda combinazione di due giunti rotoidali à ̈ disposto ad una distanza L1dal punto di intersezione O1degli assi di rotazione della prima combinazione di due giunti rotoidali; − il punto di intersezione O3degli assi di rotazione della terza combinazione di due giunti rotoidali à ̈ disposto ad una distanza L2 dal punto di intersezione O2 degli assi di rotazione della seconda coppia; − l’asse del terzo giunto rotoidale ossia il primo della seconda combinazione di due giunti rotoidali à ̈ disposto parallelo all’asse del secondo giunto rotoidale, ossia il secondo giunto rotoidale della prima combinazione di due giunti rotoidali; − l’asse del quinto giunto rotoidale, ossia il primo giunto rotoidale della terza combinazione di due giunti rotoidali à ̈ disposto ortogonale e incidente con l’asse del quarto giunto rotoidale ossia il secondo giunto rotoidale della seconda combinazione di due giunti rotoidali; − detto elemento mobile di interazione essendo solidale con la parte mobile del sesto giunto rotoidale ossia il secondo giunto rotoidale della terza combinazione di due giunti rotoidali e conformato in modo tale che, quando connesso al segmento mediale dell’arto dell’utente, detto punto di intersezione O3cada sulla congiungente dell’articolazione mediale e dell’articolazione distale dell’arto.
5. 5. Dispositivo, secondo la rivendicazione 4, in cui sono, inoltre, previsti mezzi regolabili per fissare detto segmento mediale a detto elemento di interazione in modo tale da registrare detta distanza xFtra detto punto di bilanciamento e detta articolazione mediale, in particolare detti mezzi regolabili per fissare detto segmento mediale a detto elemento di interazione comprendono una manopola impugnabile dalla mano di detto utente, detta manopola essendo solidale a detto elemento di interazione ed essendo avvicinabile/allontanabile rispetto all’asse di rotazione di detto sesto giunto rotoidale della sezione primaria del meccanismo, in particolare detto elemento di interazione mobile avendo una superficie avente una forma di culla, detta culla essendo atta a ricevere detto segmento mediale.
6. 6. Dispositivo, secondo la rivendicazione 4, in cui, nel caso detto arto sia l’arto superiore, detta sezione primaria di detto meccanismo comprende, inoltre, un settimo ed un ottavo giunto rotoidale, in particolare detto settimo e detto ottavo giunto rotoidale presentano le seguenti caratteristiche: − i rispettivi assi di rotazione sono incidenti e ortogonali in un punto O4, sostanzialmente coincidente con l’articolazione del polso e, quindi, posto ad una definita distanza L3da O3, registrabile in funzione delle dimensioni antropometriche dell’utente; − la parte fissa del settimo giunto rotoidale à ̈ solidale con detto elemento mobile di interazione; − l’asse del settimo giunto rotoidale à ̈ ortogonale e incidente alla congiungente dell’articolazione del gomito con quella del polso; − la parte mobile dell’ottavo giunto rotoidale à ̈ solidale con una manopola impugnabile dalla mano dell’utente; in particolare, detto asse di rotazione di detto settimo giunto rotoidale à ̈ sostanzialmente coincidente con l’asse dell’articolazione di flessione-estensione del polso ed in particolare detto asse di rotazione di detto ottavo giunto rotoidale à ̈ sostanzialmente coincidente con l’asse dell’articolazione di abduzione-abduzione del polso.
7. 7. Dispositivo, secondo la rivendicazione 3, in cui detta sezione secondaria di detto meccanismo à ̈ un pantografo comprendente un parallelogramma articolato, in particolare detto parallelogramma articolato comprendendo: − 4 giunti rotoidali secondari aventi rispettivi assi di rotazione, detti assi di rotazione essendo paralleli all’asse di rotazione del secondo giunto rotoidale di detta sezione primaria, in cui l’asse del primo giunto rotoidale secondario del parallelogramma articolato passa per il punto O2; − 4 link rigidi secondari congiungenti a due a due i giunti rotoidali secondari, in particolare detta sezione secondaria comprende almeno una delle seguenti caratteristiche: − il primo link rigido secondario di detti 4 link rigidi secondari à ̈ solidale alla congiungente di detti punti O1e O2di detta sezione primaria ed il secondo link rigido secondario di detti 4 link rigidi secondari à ̈ solidale alla congiungente di detti punti O2ed O3di detta sezione primaria; − l’asse di detto secondo giunto rotoidale secondario dei suddetti 4 giunti rotoidali secondari del parallelogramma articolato incide la congiungente di detti punti O1e O2di detta sezione primaria di detto meccanismo in un punto O2’ che à ̈ disposto da parte opposta al primo giunto rotoidale secondario rispetto al punto O1; − la retta di minima distanza tra l’asse del secondo giunto rotoidale secondario e del terzo giunto rotoidale secondario à ̈ parallela alla congiungente di detti punti O2e O3di detta sezione primaria di detto meccanismo; − il terzo link rigido secondario, congiungente il secondo giunto rotoidale secondario con il terzo giunto rotoidale secondario di detto parallelogramma articolato, à ̈ dotato di un punto di carico O3’ posto sulla retta di minima distanza tra il secondo giunto rotoidale secondario e il terzo giunto rotoidale secondario e tale che la congiungente O3-O3’ passi per il punto O1; − una retta di minima distanza tra l’asse del terzo giunto rotoidale secondario e l’asse del quarto giunto rotoidale secondario à ̈ parallela alla retta congiungente detti punti O1e O2di detta sezione primaria di detto meccanismo; − il quarto link rigido secondario congiunge il terzo giunto rotoidale secondario con il quarto giunto rotoidale secondario; − le proprietà geometriche del pantografo sono tali che il rapporto dei segmenti O3-O1e O1-O3’ risulta costante in tutte le configurazioni assunte dal pantografo in modo tale che l’applicazione in O3’ di un carico costante verticale diretto verso il basso produce una forza bilanciante costante verticale diretta verso l’alto in O3ad esso proporzionale.
8. 8. Dispositivo, secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi di generazione di un carico verticale sostanzialmente costante sono scelti tra: − un contrappeso; − un elemento elastico avente una prima estremità connessa a detto punto O3’ ed una seconda estremità connessa ad un punto fisso di detto dispositivo.
9. 9. Dispositivo, secondo la rivendicazione 3, in cui almeno una di detta prima e seconda combinazioni di due giunti rotoidali di detta sezione primaria di detto meccanismo à ̈ implementata come un giunto di torsio-flessione, detto, o ciascun, giunto di torsioflessione comprendendo un corpo centrale, un elemento basculante rotante rispetto a detto corpo centrale intorno ad un asse di flessione e un albero rotante rispetto a detto corpo centrale intorno ad una asse di torsione, detto asse di flessione essendo ortogonale e incidente con detto asse di torsione, in particolare detto albero e detto elemento basculante sono cavi per consentire il passaggio di eventuali cavi elettrici all’interno del giunto di torsio-flessione.
10. 10. Dispositivo, secondo la rivendicazione 3, in cui detto quinto e detto sesto giunto rotoidale di detta sezione primaria di detto meccanismo sono ottenute mediante l’impiego di un meccanismo a centro remoto di rotazione, la cui parte mobile incorpora i cuscinetti di detto sesto giunto rotoidale, in particolare detto meccanismo a centro remoto di rotazione comprendendo due parallelogrammi articolati, essendo il secondo cinematicamente dipendente dal primo.
11. 11. Dispositivo, secondo la rivendicazione 3, in cui sono previsti, inoltre, mezzi per rilevare istantaneamente la posizione angolare di detti giunti rotoidali di detta sezione primaria di detto meccanismo, in modo tale da realizzare un dispositivo sensorizzato atto ad essere utilizzato in combinazione con un sistema di generazione di ambienti virtuali, per facilitare l’esecuzione di esercizi di riabilitazione o di training, di monitorare tali esercizi e di fornire dei feedback sensoriali all’utente/paziente, in particolare detti mezzi per rilevare istantaneamente la posizione angolare di ciascun giunto rotoidale comprendono un sensore di campo magnetico, quale ad esempio un sensore ad effetto Hall, ed un magnete permanente per ogni giunto, in particolare ciascun giunto rotoidale comprende un primo membro ed un secondo membro girevolmente connessi tra loro ed detti mezzi per rilevare la posizione di ciascun giunto rotoidale comprendono un magnete solidale al primo membro di un giunto rotoidale ed un sensore ad effetto Hall solidale al secondo membro del medesimo giunto rotoidale, in particolare detto magnete presenta una geometria cilindrica, detta geometria cilindrica avendo un asse longitudinale, detta geometria cilindrica di detto magnete essendo scelta tra: − geometria cilindrica piena; − geometria cilindrica anulare; in particolare almeno una delle seguenti caratteristiche essendo, inoltre, prevista: − detto asse di detto magnete à ̈ parallelo all’asse di rotazione del giunto rotoidale al quale à ̈ associato; − detto asse di detto magnete à ̈ disposto ad una determinata distanza dall’asse di rotazione di detto secondo membro; − detto magnete à ̈ magnetizzato in direzione diametrale; − detto magnete presenta una direzione di magnetizzazione ortogonale alla direzione di eccentricità; − detto sensore ad effetto Hall presenta un punto sensibile, detto punto sensibile giacendo sul piano ortogonale a detto asse di detto magnete e passante per la mezzeria della sua altezza, durante la rotazione di detto secondo membro attorno all’asse di rotazione detto sensore ad effetto di Hall descrive una traiettoria circolare attorno ad un punto O, detto sensore avendo una direzione di sensibilità ortogonale a detta traiettoria circolare.
12. 12. Dispositivo, secondo la rivendicazione 3, in cui detto link di detto meccanismo in corrispondenza del quale i mezzi di generazione generano detto carico verticale sostanzialmente costante à ̈ disposto da parte opposta a detto elemento mobile di interazione rispetto a detto primo giunto rotoidale di detta sezione primaria.
13. 13. Dispositivo, secondo la rivendicazione 3, in cui detto link di detto meccanismo in corrispondenza del quale i mezzi di generazione generano detto carico verticale sostanzialmente costante à ̈ disposto dalla stessa parte di detto elemento mobile di interazione rispetto a detto primo giunto rotoidale di detta sezione primaria, in particolare detto carico verticale essendo applicato a detta sezione secondaria in un punto O3†compreso tra O1e O3, tale che il dispositivo, in corrispondenza del punto O3genera una forza verticale F verso il basso e quindi aumenta gli sforzi articolari sull’arto permettendo di utilizzare il dispositivo come macchina da allenamento, o fitness, in particolare, essendo previsto un link di collegamento tra il secondo carico e la sezione secondaria, detto link di collegamento essendo girevolmente connesso a detto primo e a detto terzo link secondari.