ITPI20120069A1

ITPI20120069A1 - Esoscheletro per l¿interazione fisica con l¿uomo

Info

Publication number: ITPI20120069A1
Application number: IT000069A
Authority: IT
Inventors: Massimo Bergamasco; Basilio Lenzo; Fabio Salsedo
Original assignee: Scuola Superiore S Anna
Priority date: 2012-06-11
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2013-12-12
Also published as: WO2013186705A3; EP2858791A2; EP2858791B1; WO2013186705A2

Description

Descrizione

“ESOSCHELETRO PER L’INTERAZIONE FISICA CON L’UOMO” a nome

Ambito dell’invenzione

La presente invenzione si colloca nell’ambito dei dispositivi robotici che interagiscono fisicamente con l’uomo (Physical Human-Device Interaction) e in particolare si riferisce ad un esoscheletro indossabile sull’arto superiore o inferiore.

Descrizione della tecnica nota

Sono noti dispositivi robotici di tipo esoscheletrico per l’interazione di forza con l’uomo. Tali dispositivi sono caratterizzati da una cinematica isomorfa a quella dell’arto umano su cui sono indossati, ovvero da una cinematica avente gradi di libertà di numero e sequenza uguale a quella dell’arto e assi meccanici sostanzialmente coincidenti con gli assi delle articolazioni fisiologiche.

Esempi di applicazioni di questi dispositivi possono essere trovati nell’ambito della riabilitazione motoria di pazienti colpiti da traumi neurologici (Rehabilitation Robotics), dell'assistenza fisica degli anziani o dei disabili durante le loro attività di vita quotidiana (Assistive Robotics) o della riduzione degli sforzi articolari derivanti dalla movimentazione di materiale nei processi logistici e produttivi (Material Handling Robotics).

Un esempio di esoscheletro per l’arto superiore è descritto in WO2004058458, nel quale i 3 gradi di libertà relativi ai movimenti dell’articolazione di spalla del dispositivo sono stati ottenuti tramite l’impiego di tre coppie rotoidali connesse in serie, aventi assi a due a due ortogonali e incidenti in un punto sostanzialmente coincidente con il centro della corrispondente articolazione umana. In particolare le prime due coppie rotoidali consentono di replicare i movimenti di abduzioneadduzione e di flessione-estensione della spalla, mentre la terza coppia rotoidale, avendo asse sostanzialmente allineato con la congiungente del centro dell’articolazione di spalla con il centro dell’articolazione del gomito, consente di replicare il movimento di rotazione interna e esterna della spalla.

L’implementazione di ognuna delle prime due coppie rotoidali è realizzata in modo tradizionale, tramite l’impiego di due cuscinetti aventi assi allineati con l’asse della coppia rotoidale, mentre la terza coppia rotoidale è implementata tramite una guida circolare, la cui struttura aperta consente un indossaggio laterale del dispositivo, non possibile nel caso di implementazione tradizionale, che, infatti, richiede l’inserimento del braccio in una struttura anulare.

Al fine di ridurre le masse e gli ingombri delle porzioni mobili del dispositivo, l’attuazione dei primi 4 gradi di libertà è ottenuta tramite motori elettrici posizionati in corrispondenza della sua porzione di base, resa solidale con il dorso dell’utente per mezzo opportuni ancoraggi, e tramite l’impiego di cavi in tensione e pulegge folli e condotte, che provvedono a trasmettere la coppia dai motori ai giunti di articolazione del dispositivo.

Com’è noto, la realizzazione di un moto sferico di un corpi mobile rispetto ad un corpo di base tramite l’impiego di 3 coppie rotoidali connesse in serie, benché semplice dal punto di visto implementativo, è caratterizzata dalla presenza di singolarità cinematiche, per le quali il numero di gradi di libertà del meccanismo si riduce da tre a due. Tali singolarità si determinano per quelle posizioni in cui l’asse della terza coppia rotoidale si allinea con l’asse della prima coppia rotoidale.

Nel caso dell’esoscheletro descritto in WO2004058458, essendo l’asse della terza coppia rotoidale sostanzialmente allineato con la congiungente del centro dell’articolazione di spalla con il centro dell’articolazione di gomito e, quindi, con la direzione di maggiore ingombro dell’omero (asse dell’omero), le suddette singolarità si determinano quando l’asse dell’omero è sostanzialmente allineato con l’asse della prima coppia rotoidale dell’articolazione di spalla dell’esoscheletro.

Per garantire che non si determinino singolarità dell’articolazione di spalla dell’esoscheletro, durante l’impiego del dispositivo, è pertanto necessario posizionare l’asse della prima coppia rotoidale in modo che cada al di fuori del campo di mobilità (spazio di lavoro) dell’omero rispetto al busto. Tuttavia le escursioni dei movimenti di abduzione-adduzione e di flessione-estensione, consentiti dall’articolazione di spalla di un soggetto con normali capacità motorie, sono talmente ampie che lo spazio di lavoro dell’omero rispetto al busto risulta essere maggiore di un semispazio e, quindi, tali per cui suddetta condizione non può essere soddisfatta.

Pertanto, nel caso dell’esoscheletro descritto in WO2004058458, per garantire che non si determinino singolarità cinematiche è necessario limitare la mobilità dell’articolazione di spalla consentita dal dispositivo rispetto a quella consentita dalla corrispondente articolazione umana.

Benché questa limitazione possa essere accettabile per alcune applicazioni, ad esempio la riabilitazione robotica, per altri impieghi del dispositivo, quali la movimentazione di materiali nell’edilizia, non è accettabile, in quanto riduce significativamente la capacità operativa dell’utente.

Un ulteriore limite della soluzione descritta in WO2004058458 è la necessità di realizzare opportuni attraversamenti dei cavi di attuazione, relativi all’articolazione del gomito, nella struttura della guida circolare. Per realizzare tali attraversamenti è stata impiegata una schiera di pulegge folli aventi assi disposti su una circonferenza con centro sull’asse della guida circolare. Questa soluzione comporta la presenza di un maggiore attrito sulla trasmissione del gomito, a causa del numero relativamente elevato di rinvii, oltre che un maggiore costo di realizzazione del dispositivo e maggiori ingombri e peso delle sue porzioni mobili.

Altro svantaggio della soluzione implementativa descritta in WO2004058458 è dovuto all’ingombro della guida circolare, che essendo disposto intorno alla parte superiore del braccio, limita in modo non trascurabile il suo movimento di adduzione, a causa di possibili interferenze della guida circolare con il busto dell’operatore.

Altro esempio di esoscheletro per l’arto superiore è descritto in US20110098619, in cui, come per il dispositivo descritto in WO2004058458, l’articolazione di spalla è realizzata tramite 3 coppie rotoidali connesse in serie. Tuttavia, diversamente dal dispositivo precedente, essendo l’asse della terza coppia rotoidale parallela all’asse dell’articolazione del gomito e l’asse della prima coppia rotoidale sostanzialmente ortogonale al piano frontale del busto, la singolarità cinematica dell’articolazione di spalla si determina al di fuori dello spazio di lavoro naturale dell’omero.

Benché la cinematica del dispositivo descritto in US20110098619 consenta di risolvere efficacemente il problema della singolarità cinematica dell’articolazione di spalla, l’implementazione della seconda coppia rotoidale, ottenuta tramite l’impiego di una guida circolare, rende complessa la realizzazione di un’attuazione remota delle articolazioni a valle della guida circolare e, in particolare, della flessione-estensione della spalla e della flessione-estensione del gomito. Per realizzare tale attuazione è, infatti, necessario implementare trasmissioni meccaniche passanti attraverso la guida circolare, garantendone al contempo il corretto funzionamento. Nel caso si utilizzino trasmissioni a cavo in tensione, questo passaggio può essere realizzato utilizzando una schiera indipendente di pulegge folli, aventi assi disposti su una circonferenza con centro sull’asse della guida circolare, per ogni trasmissione che attraversa quest’ultima. È però evidente il livello di complessità e, quindi, di costo di realizzazione che comporterebbe una tale implementazione. Inoltre l’incremento dell’ingombro e del peso, derivante dalla presenza delle schiere di pulegge aggiuntive, sarebbe tale da rendere non più vantaggiosa la remotizzazione dell’attuazione delle articolazioni a valle della guida circolare, rispetto ad una soluzione di attuazione locale, adottata, infatti, nel dispositivo descritto in US20110098619.

Ulteriore svantaggio dell’impiego di una guida circolare per l’implementazione della seconda coppia rotoidale dell’articolazione di spalla, è la limitata escursione angolare realizzabile per questa coppia cinematica, derivante dalla necessità di dover contenere l’ingombro angolare della guida circolare, per evitare possibili interferenze della sua struttura con il corpo dell’utilizzatore. Infatti, qualora, ad esempio, al fine di aumentare l’escursione realizzabile, l’ingombro angolare della guida venga esteso nella parte anteriore rispetto al centro dell’articolazione, un movimento relativamente ampio di flessione dell’articolazione di spalla porterebbe il braccio a interferire con la struttura della guida.

Sintesi dell’invenzione

È uno scopo della presente invenzione fornire un dispositivo robotico di tipo esoscheletrico che implementi il meccanismo di spalla o di anca e sia facilmente indossabile sull’arto superiore o inferiore di un utilizzatore.

È uno scopo della presente invenzione fornire un siffatto dispositivo robotico, che consenta di replicare i movimenti di abduzione-adduzione, rotazione interna ed esterna e flessione-estensione della spalla o dell’anca, con nessuna o minima limitazione rispetto al campo di mobilità o spazio di lavoro) normale di queste articolazioni per soggetti con capacità motorie.

È anche scopo della presente invenzione fornire un siffatto dispositivo robotico che consenta la semplice realizzazione di trasmissioni meccaniche atte a remotizzare l’attuazione di tutti i gradi di libertà della spalla o dell’anca e anche delle articolazioni a valle dell’articolazione di spalla.

È ulteriore scopo dell’invenzione fornire un siffatto dispositivo robotico che non presenti ingombri posti anteriormente rispetto al centro delle suddette articolazioni, per qualsiasi movimento dell’arto.

Questi e altri scopi sono raggiunti da un dispositivo robotico di tipo esoscheletrico, indossabile su un arto superiore o inferiore di un utilizzatore, detto dispositivo comprendendo un’articolazione esoscheletrica di spalla o di anca comprendente:

- un corpo di base, configurato per essere ancorato in modo sostanzialmente solidale con il busto dell’utilizzatore e per essere posto nella parte dorsale di detto busto;

- un primo corpo mobile, connesso con detto corpo di base, tramite una prima coppia rotoidale, configurato per avere un primo asse di rotazione sostanzialmente ortogonale al piano frontale di detto busto e sostanzialmente passante per il centro dell’articolazione di spalla o di anca di detto utilizzatore;

- un secondo corpo mobile, connesso con detto primo corpo mobile, tramite una seconda coppia rotoidale, avente un secondo asse di rotazione sostanzialmente ortogonale detto primo asse e configurato per essere incidente con detto primo asse in un punto di intersezione sostanzialmente coincidente con il centro dell’articolazione di spalla o di anca;

- un terzo corpo mobile, sostanzialmente solidale con il braccio o la gamba dell’utilizzatore e connesso a detto secondo corpo mobile tramite una terza coppia rotoidale, avente un terzo asse di rotazione configurato per essere sostanzialmente parallelo all’asse di flessione-estensione del gomito o del ginocchio dell’utilizzatore, sostanzialmente ortogonale a detto secondo asse e incidente tale secondo asse in detto punto di intersezione sostanzialmente coincidente con il centro dell’articolazione di spalla o di anca,

caratterizzato dal fatto che

- detta seconda coppia rotoidale è implementata da detto secondo corpo mobile tramite un meccanismo a centro remoto di rotazione che ha centro in detto punto.

Vantaggiosamente, detto meccanismo a centro remoto di rotazione comprende un meccanismo a parallelogramma articolato. In particolare, detto meccanismo a parallelogramma articolato comprende due parallelogrammi, aventi lati adiacenti a due a due e tra loro girevolmente collegati mediante rispettive cerniere.

In particolare, tramite la prima coppia rotoidale si realizza un movimento di ab-adduzione della spalla o anca, attorno ad un primo asse sostanzialmente ortogonale ad un piano frontale passante rispettivamente per le articolazioni della spalla e dell’anca di detto utilizzatore, con la seconda coppia rotoidale si realizza un movimento di rotazione della spalla o anca attorno ad un secondo asse, sostanzialmente ortogonale a detto primo asse e sostanzialmente parallelo a detto piano frontale; mentre con la terza coppia rotoidale si realizza un movimento di flesso-estensione della spalla o anca attorno ad un terzo asse, sostanzialmente ortogonale a detto primo e secondo asse e sostanzialmente parallelo a detto piano frontale, in cui il movimento di rotazione della spalla o anca è ottenuto mediante detto meccanismo a parallelogramma articolato interposto tra la coppia rotoidale di ab-adduzione e la coppia rotoidale di flessoestensione e costituente un centro remoto di rotazione coassiale con detto secondo asse.

In questo modo, è possibile realizzare una cinematica sferica dell’articolazione di spalla che non presenta singolarità cinematiche all’interno dello spazio di lavoro dell’omero o del femore rispetto al busto, utilizzando per l’implementazione della seconda coppia rotoidale il suddetto meccanismo a centro remoto di rotazione, preferibilmente costituito da detti due parallelogrammi interconnessi.

Inoltre, questo tipo di meccanismo a centro remoto di rotazione consente di realizzare escursioni angolari relativamente elevate, quand’anche lo spazio disponibile per alloggiare le parti del meccanismo è particolarmente ristretto. Infatti, un’opportuna scelta dei parametri cinematici del meccanismo a centro remoto e una adeguata progettazione della geometria delle sue parti mobili, possono consentire un’escursione angolare della seconda coppia rotoidale maggiore di 110°, più che sufficiente per replicare i movimenti di rotazione interna-esterna del braccio di un utilizzatore normodotato.

Ulteriore vantaggio dell’impiego di tale meccanismo a centro remoto di rotazione è la mancanza di ingombri nella regione anteriore rispetto all’articolazione di spalla, in tutte le posizioni appartenenti allo spazio di lavoro dell’omero rispetto al busto, e, quindi, la mancanza di limitazioni ai movimenti di flessione della spalla.

In particolare, detto esoscheletro presenta articolazioni a valle di detta seconda coppia rotoidale che sono realizzate utilizzando tre pulegge folli principali, aventi assi allineati con opportuni assi delle cerniere dei due parallelogrammi, che costituiscono detto meccanismo a centro remoto di rotazione.

In tal modo, tale meccanismo a centro remoto consente una più semplice realizzazione delle trasmissioni meccaniche necessarie a remotizzare l’attuazione delle articolazioni a valle della seconda coppia rotoidale dell’articolazione di spalla e, in particolare, della sua terza coppia rotoidale e dell’articolazione del gomito.

Ulteriori pulegge folli secondarie, aventi assi solidali con dette parti mobili del meccanismo, possono essere previste per garantire che in tutte le posizioni da esso raggiunte il cavo rimanga avvolto sulle pulegge folli principali.

Vantaggiosamente il dispositivo robotico di tipo esoscheletrico, oggetto dell’invenzione, può comprendere anche un quarto corpi mobile, sostanzialmente solidale con l’avambraccio dell’utilizzatore e connesso a detto terzo corpo mobile tramite una quarta coppia rotoidale, avente asse sostanzialmente parallelo all’asse di detta terza coppia rotoidale e sostanzialmente incidente con il centro dell’articolazione del gomito.

In particolare, ciascun parallelogramma articolato comprende un primo, un secondo, un terzo ed un quarto corpo allungato tra loro girevolmente connessi ed articolati con detto primo e terzo corpo mobile per mezzo di dette cerniere, ciascuna cerniera comprendendo un rispettivo asse di rotazione parallelo a detto secondo asse di rotazione del secondo corpo mobile.

In particolare detti primo, secondo, terzo e quarto corpo allungato sono tra loro girevolmente connessi in modo che:

Vantaggiosamente, il primo, secondo, terzo e quarto corpo allungato sono tra loro girevolmente connessi in modo che:

- il primo corpo allungato ruoti rispetto al primo corpo mobile per mezzo di una prima cerniera,

- il secondo corpo allungato ruota rispetto al primo corpo allungato per mezzo di una seconda cerniera, e ruoti rispetto al terzo corpo mobile attraverso una terza cerniera.

- il terzo corpo allungato ruoti rispetto al terzo corpo mobile per mezzo di una quarta cerniera e ruoti rispetto al primo corpo allungato per mezzo di una quinta cerniera.

- il quarto corpo allungato ruota rispetto al primo corpo mobile per mezzo di una sesta cerniera e ruota rispetto al secondo corpo allungato per mezzo di una settima cerniera.

In una forma realizzativa preferita,

- la distanza tra la prima cerniera e la seconda cerniera è uguale alla distanza tra la terza cerniera e l’asse di detto centro remoto di rotazione;

- la distanza tra la sesta cerniera e la settima cerniera è uguale alla distanza tra la terza cerniera e l'asse di detto centro remoto di rotazione;

- la distanza tra la seconda cerniera e la terza cerniera è uguale alla distanza tra la prima cerniera e l'asse di detto centro remoto di rotazione;

- la distanza tra la quinta cerniera la quarta cerniera è uguale alla distanza tra la prima cerniera e l'asse di detto centro remoto di rotazione;.

Vantaggiosamente, il dispositivo può comprendere ulteriori corpi rigidi e corrispondenti ulteriori coppie rotoidali, in modo tale che possa replicare più completamente i movimenti delle varie articolazioni dell’arto sul quale è indossato.

Breve descrizione dei disegni

L’invenzione verrà ora 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 è mostrato un esoscheletro indossato su un braccio di un operatore e con un supporto a zaino per portare un meccanismo di attuazione attivo o passivo, e con evidenziazione del giunto spalla ottenuto dall’intersezione di un asse di ab-adduzione, una asse di rotazione ed un asse di flesso-estensione;

� la figura 3 mostra una catena seriale di elementi mobili e articolazioni con quattro gradi di libertà e due segmenti invarianti, in grado di rappresentare i movimenti di un arto superiore o inferiore e che è implementata dall’esoscheletro di figura 1;

� la figura 2 mostra parzialmente l’esoscheletro di figura 1 completo e con dettaglio della realizzazione degli elementi mobili che formano il giunto spalla;

� la figura 4 e la figura 5 mostrano in dettaglio e da due diverse prospettive l’esoscheletro di figura 3, con illustrazione di tendini di attuazione.

� la figura 6 mostra un meccanismo a centro remoto di rotazione realizzato mediante corpi rigidi allungati disposti secondo un doppio parallelogramma articolato, utilizzato per realizzare un giunto spalla o anca di un esoscheletro come quello rappresentato in figure 4 o 5;

� la figura 7 e la figura 8 mostrano rispettivamente in vista prospettica e in pianta dall’alto il meccanismo di figura 6 con aggiunta di pulegge folli principali e secondarie;

� le figure 9 e 10 mostrano nella vista in pianta analoga alla figura 8 il meccanismo di figura 6 in due possibili posizioni di lavoro

Descrizione di forme realizzative esemplificative

Con riferimento alle figure 1 e 2, viene mostrato un esoscheletro antropomorfo 100 per l’arto superiore di un utilizzatore 10. Con 11, 12 e 13 sono indicati rispettivamente il braccio, l’avambraccio e la mano dell’utilizzatore 10. Con 110 è indicato un end effector che serve per trasmettere una forza F all’avambraccio 12.

Entrando più in dettaglio, il braccio pluriarticolato 100, per essere utilizzato come esoscheletro per il braccio 11 e l’avambraccio 12 dell’utilizzatore 10, deve fornire all’end effector 110 i quattro gradi di libertà che l’arto possiede, ossia l’abduzione-adduzione della spalla, la rotazione della spalla, la flessione della spalla, e la flessione del gomito. I primi tre gradi di libertà sono realizzabili con tre coppie rotoidali aventi assi di rotazione rispettivamente gli assi 101, 102, 103, che sono tra loro ortogonali e incidenti in un punto comune 72, ossia il centro della spalla.

Come mostrato in figura 2, un piano � contiene il punto 72 e l’end-effector 110, nonché gli assi 101 e 103. Sempre con riferimento alla figura 1, un generatore di forza, passivo o attivo, può essere costituito da una unità 120 di azionamento dell’esoscheletro, portabile dal tronco 15 dell’utilizzatore, ad esempio come zaino.

Dal generatore di forza 120 si estende un primo corpo mobile 121, atto a permettere la rotazione rispetto all’unità 120 attorno ad un primo asse 101 che passa sostanzialmente attraverso il centro 27 dell'articolazione della spalla.

In particolare, il primo asse 101 è sostanzialmente ortogonale al piano frontale del tronco 15 e sostanzialmente passante attraverso il centro dell’articolazione di spalla.

L’esoscheletro 100 comprende un secondo corpo mobile 122 atto a consentire la rotazione rispetto al primo corpo mobile 121 lungo un secondo asse 102 che passa sostanzialmente attraverso il centro dell'articolazione della spalla 72, ed è sostanzialmente ortogonale al primo asse 101 di rotazione del primo corpo mobile, essendo detta rotazione lungo un secondo asse 102 implementata mediante un meccanismo a centro remoto di rotazione .

Inoltre, come mostrato in figura 1, l’esoscheletro comprende un terzo corpo mobile 123, che può muoversi rispetto al secondo corpo mobile 122 attorno ad un terzo asse 103 che passa sostanzialmente attraverso il centro di articolazione della spalla 72 ed è sostanzialmente ortogonale all'asse di rotazione 102 del secondo corpo mobile 122.

In una possibile realizzazione, l’esoscheletro 100 può comprendere un quarto corpo mobile 124 che può ruotare rispetto al terzo corpo mobile 123 mediante una cerniera 148 attorno ad un quarto asse 104 che passa sostanzialmente attraverso il centro di articolazione del gomito. Il quarto asse 104 è sostanzialmente parallelo all'asse di rotazione 103 .

In una ulteriore possibile realizzazione può essere previsto un quinto corpo mobile 125 che può ruotare rispetto al quarto corpo mobile 124 attorno ad un quinto asse 105 che passa sostanzialmente attraverso il centro di articolazione del gomito ed è sostanzialmente allineato con la direzione principale dell’avambraccio.

Può essere inoltre previsto un sesto corpo mobile 126 rispetto al quinto corpo mobile 125 attorno ad un sesto asse 106 che passa sostanzialmente attraverso il centro di articolazione del polso ed è sostanzialmente ortogonale all’asse 105.

Può essere inoltre previsto un settimo corpo mobile 127 rispetto al sesto corpo mobile 126 attorno ad un settimo asse 107 che passa sostanzialmente attraverso il centro di articolazione del polso ed è sostanzialmente ortogonale all’asse 106.

Come mostrato in figura 3, la rotazione attorno all’asse 102 è realizzata secondo la presente invenzione per mezzo di un meccanismo 130 del tipo a centro di rotazione remoto, qui di seguito descritto in una sua possibile forma realizzativa.

Più precisamente, come meglio mostrato in figure 4 e 5 il meccanismo 130 è formato da due parallelogrammi articolati aventi lati adiacenti a due a due tra loro connessi, in particolare sono presenti quattro corpi allungati 131, 132, 133 e 134 articolati tra loro e con il primo corpo mobile 121 ed il secondo corpo mobile 122 per mezzo di una pluralità di cerniere 141, 142, 143, 144, 145, 146 e 147, meglio visibili con riferimento anche alla figura 6.

Ciascuna cerniera 141-147 comprende un rispettivo asse di rotazione parallelo al secondo asse 102 di rotazione del secondo corpo mobile 122 rispetto al primo corpo mobile 121.

Più precisamente, in una possibile realizzazione, il primo corpo allungato 131 dei quattro corpi allungati 131, 132, 133 e 134 ruota rispetto al primo corpo mobile 121 per mezzo di una prima cerniera 141.

Un secondo corpo allungato 132 ruota rispetto al primo corpo allungato 131 per mezzo di una seconda cerniera 142, e ruota rispetto al terzo corpo mobile 122 attraverso una terza cerniera 143.

Un terzo corpo allungato 133 ruota rispetto al terzo corpo mobile 122 per mezzo di una quarta cerniera 144 e ruota rispetto al primo corpo allungato 131 per mezzo di una quinta cerniera 145.

Un quarto corpo allungato 134 ruota rispetto al primo corpo mobile 121 per mezzo di una sesta cerniera 146 e ruota rispetto al secondo corpo allungato 132 per mezzo di un settima cerniera 147.

Preferibilmente, la distanza tra la prima cerniera 141 e la seconda cerniera 142 è uguale alla distanza tra la terza cerniera 143 e l’asse 102. Inoltre, la distanza tra la sesta cerniera 146 e la settima cerniera 147 è uguale alla distanza tra la terza cerniera 143 e l'asse 102. Ancora, la distanza tra la seconda cerniera 142 e la terza cerniera 143 è uguale alla distanza tra la prima cerniera 141 e l'asse 102. Infine, la distanza tra la quinta cerniera 145 la quarta cerniera 144 è uguale alla distanza tra la prima cerniera 141 e l'asse 102.

Come mostrato nelle figure 9 e 10, mediante il doppio parallelogramma articolato sopra descritto è possibile la rotazione dell’corpo mobile 122 attorno al punto di intersezione degli assi 101, 102 e 103, che coincide con il centro di articolazione della spalla 72 o dell’anca (non mostrato, ma facilmente implementabile da un tecnico del ramo), in modo da raggiungere due posizioni estreme che premettono all’esoscheletro di coprire un ampio spazio di lavoro dell’articolazione della spalla, analogo a quello di un utilizzatore normodotato.

Mediante cavi o tendini 25, di cui solo alcuni mostrati nelle figure 4 e 5, tramite le pulegge di rinvio 151-162 è possibile esercitare, con generatori di coppia passivi o attivi presenti nell’unità 120 (figura 3) o in altre unità equivalenti, forze in corrispondenza dell’end effector 110.

Un esoscheletro analogo può essere realizzato anche per l’arto inferiore (non mostrato). In tal caso, il punto di intersezione dei tre assi 101, 102 e 103 passerà per il centro della articolazione dell'anca.

La descrizione di cui sopra di una forma realizzativa specifica è 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

RIVENDICAZIONI 1. Un dispositivo robotico di tipo esoscheletrico, indossabile su un arto superiore o inferiore di un utilizzatore, detto dispositivo comprendendo un’articolazione esoscheletrica di spalla o di anca comprendente: - un corpo di base (120), configurato per essere ancorato in modo sostanzialmente solidale con un utilizzatore (10); - un primo corpo mobile (121), connesso con detto corpo di base (120), tramite una prima coppia rotoidale (101), configurato per avere un primo asse (101) di rotazione sostanzialmente ortogonale al piano frontale di detto busto (15) e sostanzialmente passante per il centro (72) dell’articolazione di spalla o di anca di detto utilizzatore; - un secondo corpo mobile (122), connesso con detto primo corpo mobile (121), tramite una seconda coppia rotoidale (102), avente un secondo asse (102) di rotazione sostanzialmente ortogonale detto primo asse (101) e configurato per essere incidente con detto primo asse (101) in un punto di intersezione sostanzialmente coincidente con il centro (72) dell’articolazione di spalla o di anca; - un terzo corpo mobile (123), sostanzialmente solidale con il braccio o la gamba dell’utilizzatore (10) e connesso a detto secondo corpo mobile (122) tramite una terza coppia rotoidale (103), avente un terzo asse di rotazione configurato per essere sostanzialmente parallelo all’asse di flessioneestensione del gomito o del ginocchio dell’utilizzatore (10), sostanzialmente ortogonale a detto secondo asse (102) e incidente tale secondo asse (102) in detto punto di intersezione sostanzialmente coincidente con il centro (72) dell’articolazione di spalla o di anca, caratterizzato dal fatto che - detta seconda coppia rotoidale (102) è implementata da detto secondo corpo mobile (122) tramite un meccanismo a centro remoto di rotazione che ha centro in detto punto (72). 2. Un dispositivo robotico di tipo esoscheletrico, come da rivendicazione 1, in cui detto meccanismo a centro remoto di rotazione comprende un meccanismo a parallelogramma articolato. 3. Un dispositivo robotico di tipo esoscheletrico, come da rivendicazione 1, in cui detto meccanismo a parallelogramma articolato comprende due parallelogrammi (131, 132, 133 e 134), aventi lati adiacenti a due a due e tra loro girevolmente collegati, e articolati a detti primo e secondo corpo mobile (121,122) mediante rispettive cerniere (141, 142, 143, 144, 145, 146 e 147). 4. Un dispositivo robotico di tipo esoscheletrico, come da rivendicazione 1, comprendente articolazioni a valle di detta seconda coppia rotoidale (102) che sono realizzate utilizzando tre pulegge folli principali e atte a ricevere cavi o tendini di trasmissione del moto da detto meccanismo di attuazione attivo o passivo, dette pulegge principali avendo assi allineati con opportuni assi delle cerniere dei due parallelogrammi, che costituiscono detto meccanismo a centro remoto di rotazione. 5. Un dispositivo robotico di tipo esoscheletrico, come da rivendicazione 4, in cui sono previste pulegge folli secondarie, aventi assi solidali con dette parti mobili del meccanismo, configurate per garantire che in tutte le posizioni da esso raggiunte un caco o tendine rimanga avvolto sulle pulegge folli principali. 6. Un dispositivo robotico di tipo esoscheletrico, come da rivendicazione 4, in cui è previsto un quarto corpo mobile, configurato per essere reso sostanzialmente solidale con l’avambraccio dell’utilizzatore (10) e connesso a detto terzo corpo mobile (123) tramite una quarta coppia rotoidale (148), avente asse (104) sostanzialmente parallelo all’asse di detta terza coppia rotoidale (103) e sostanzialmente incidente con il centro dell’articolazione del gomito. 7. Un dispositivo robotico di tipo esoscheletrico, come da rivendicazione 3, in ciascun parallelogramma articolato comprende un primo, un secondo, un terzo ed un quarto corpo allungato (131,132,133,134) tra loro girevolmente connessi ed articolati con detto primo e terzo corpo mobile (123) per mezzo di dette cerniere (141, 142, 143, 144, 145, 146 e 147), ciascuna cerniera comprendendo un rispettivo asse di rotazione parallelo a detto secondo asse (102) di rotazione del secondo corpo mobile (122). 8. Un dispositivo robotico di tipo esoscheletrico, come da rivendicazione 7, in cui detti primo, secondo, terzo e quarto corpo allungato (131,132,133,134) sono tra loro girevolmente connessi in modo che: - detto primo corpo allungato (131) ruoti rispetto al primo corpo mobile (121) per mezzo di una prima cerniera (141), - detto secondo corpo allungato (132) ruota rispetto al primo corpo allungato (131) per mezzo di una seconda cerniera (142), e ruoti rispetto al terzo corpo mobile (122) attraverso una terza cerniera (143). - detto terzo corpo allungato (133) ruoti rispetto al terzo corpo mobile (122) per mezzo di una quarta cerniera (144) e ruoti rispetto al primo corpo allungato (131) per mezzo di una quinta cerniera (145). - detto quarto corpo allungato (134) ruota rispetto al primo corpo mobile (121) per mezzo di una sesta cerniera (146) e ruota rispetto al secondo corpo allungato (132) per mezzo di un settima cerniera (147). 9. Un dispositivo robotico di tipo esoscheletrico, come da rivendicazione 7, in cui - la distanza tra la prima cerniera (141) e la seconda cerniera (142) è uguale alla distanza tra la terza cerniera (143) e l’asse (102) - la distanza tra la sesta cerniera (146) e la settima cerniera (147) è uguale alla distanza tra la terza cerniera (143) e l'asse (102) - la distanza tra la seconda cerniera (142) e la terza cerniera (143) è uguale alla distanza tra la prima cerniera (141) e l'asse (102) - la distanza tra la quinta cerniera (145) la quarta cerniera (144) è uguale alla distanza tra la prima cerniera (141) e l'asse (102). 10. Un dispositivo robotico di tipo esoscheletrico, indossabile su un arto superiore o inferiore di un utilizzatore, detto dispositivo comprendendo un’articolazione esoscheletrica di spalla o di anca comprendente: - un corpo di base (120), configurato per essere ancorato in modo sostanzialmente solidale con un utilizzatore (10); - un primo corpo mobile (121), connesso con detto corpo di base (120), tramite una prima coppia rotoidale (101), configurato per avere un primo asse (101) di rotazione sostanzialmente ortogonale al piano frontale di detto busto (15) e sostanzialmente passante per il centro (72) dell’articolazione di spalla o di anca di detto utilizzatore; - un secondo corpo mobile (122), connesso con detto primo corpo mobile (121), tramite una seconda coppia rotoidale (102), avente un secondo asse (102) di rotazione sostanzialmente ortogonale detto primo asse (101) e configurato per essere incidente con detto primo asse (101) in un punto di intersezione sostanzialmente coincidente con il centro (72) dell’articolazione di spalla o di anca; - un terzo corpo mobile (123), sostanzialmente solidale con il braccio o la gamba dell’utilizzatore (10) e connesso a detto secondo corpo mobile (122) tramite una terza coppia rotoidale (103), avente un terzo asse di rotazione configurato per essere sostanzialmente parallelo all’asse di flessioneestensione del gomito o del ginocchio dell’utilizzatore (10), sostanzialmente ortogonale a detto secondo asse (102) e incidente tale secondo asse (102) in detto punto di intersezione sostanzialmente coincidente con il centro (72) dell’articolazione di spalla o di anca, caratterizzato dal fatto che detto corpo di base è configurato per essere ancorato in modo sostanzialmente solidale con il busto (15) di un utilizzatore (10) e per essere posto nella parte dorsale di detto busto (15), in un supporto a zaino (120). “ESOSCHELETRO PER L’INTERAZIONE FISICA CON L’UOMO” TRADUZIONE DELLE RIVENDICAZIONI IN INGLESE - CLAIMS 1. An exoskeleton-type robotic device, to be worn on a user’s upper limb or on a user’s lower limb, said device having a shoulder or hip exoskeleton joint comprising: - a base body (120), configured to be substantially integrally fixed to a user (10); - a first movable body (121), connected to said base body (120), by a first rotational joint (101), said first movable body configured for having a first rotation axis (101) substantially orthogonal to the front plane of the user’s upper body (15) and substantially passing through the centre (72) of said user’s shoulder or hip joint; - a second movable body (122), connected to said first movable body (121) by a second rotational joint (102), said second movable body having a second rotation axis (102) substantially orthogonal to said first axis (101) and configured to be incident with said first axis (101) at an intersection point substantially coincident with the centre (72) of the shoulder or hip joint; - a third movable body (123), substantially integral to the user’s (10) arm or leg and connected to said second movable body (122) by a third rotational joint (103), said third rotational joint having a third rotation axis configured to be substantially parallel to the flexion-extension axis of the user’s (10) elbow or knee, substantially orthogonal to said second axis (102) and incident to said second axis (102) at said intersection point substantially coincident with the centre (72) of the shoulder or hip joint, characterised in that said second rotational joint (102) is implemented by said second movable body (122) by means of a remote centre of rotation mechanism which has a centre at said point (72).
2. An exoskeleton-type robotic device, according to claim 1, wherein said remote centre of rotation mechanism comprises a four-bar linkage mechanism.
3. An exoskeleton-type robotic device, according to claim 1, wherein said four-bar linkage mechanism comprises two parallelograms (131, 132, 133 and 134), the sides of said parallelograms in pairs adjacent and pivotally linked to each other, and movably joined to said first movable body and to said second movable body (121, 122) by means of respective hinges (141, 142, 143, 144, 145, 146 and 147).
4. An exoskeleton-type robotic device, according to claim 1, comprising joints downstream of said second rotational joint (102), said joints comprising three main idle pulleys and arranged to receive tendons for transmitting the movement from said active or passive actuation mechanism, said main pulleys having axes aligned with suitable axes of the hinges of the two parallelograms, which form said remote centre of rotation mechanism.
5. An exoskeleton-type robotic device, according to claim 4, wherein secondary idle pulleys are provided that have axes integral to said movable parts of the mechanism, said secondary idle pulleys configured to ensure that a cable or a tendon remains wound on the main idle pulleys in all the positions reached by said robotic device.
6. An exoskeleton-type robotic device, according to claim 4, wherein a fourth movable body is provided which is configured to be made substantially integral to the user’s (10) forearm and to be connected to said third movable body (123) by a fourth rotational joint (148) that has an axis (104) substantially parallel to the axis of said third rotational joint (103) and substantially incident with the centre of the joint of the elbow.
7. An exoskeleton-type robotic device, according to claim 3, wherein each four-bar linkage comprises a first, a second, a third and a fourth elongated bodies (131, 132, 133, 134) pivotally connected to one another and movably joined with said first movable body and with said third movable body (123) by said hinges (141, 142, 143, 144, 145, 146 and 147), each hinge comprising a respective rotation axis that is parallel to said second rotation axis (102) of the second movable body (122).
8. An exoskeleton-type robotic device, according to claim 7, wherein said first, second, third and fourth elongated bodies (131, 132, 133, 134) are pivotally connected to one another in such a way that: - said first elongated body (131) rotates with respect to the first movable body (121) by a first hinge (141), - said second elongated body (132) rotates with respect to the first elongated body (131) by a second hinge (142), and rotates with respect to the third movable body (122) by a third hinge (143). - said third elongated body (133) rotates with respect to the third movable body (122) by a fourth hinge (144) and rotates with respect to the first elongated body (131) by a fifth hinge (145). - said fourth elongated body (134) rotates with respect to the first movable body (121) by a sixth hinge (146) and rotates with respect to the second elongated body (132) by a seventh hinge (147).
9. An exoskeleton-type robotic device, according to claim 7, wherein - the distance between the first hinge (141) and the second hinge (142) is the same as the distance between the third hinge (143) and the axis (102) - the distance between the sixth hinge (146) and the seventh hinge (147) is the same as the distance between the third hinge (143) and the axis (102) - the distance between the second hinge (142) and the third hinge (143) is the same as the distance between the first hinge (141) and the axis (102) - the distance between the fifth hinge (145) and the fourth hinge (144) is the same as the distance between the first hinge (141) and the axis (102).
10. An exoskeleton-type robotic device, to be worn on a user’s upper limb or on a user’s lower limb, said device comprising a shoulder or of hip exoskeleton joint comprising: - a base body (120), configured to be substantially integrally fixed to a user (10); - a first movable body (121), connected to said base body (120) by a first rotational joint (101), said first movable body configured with a first rotation axis (101) substantially orthogonal to the front plane of said upper body (15) and substantially passing through the centre (72) of said user’s shoulder or hip joint; - a second movable body (122), connected to said first movable body (121) by a second rotational joint (102), said second movable body having a second rotation axis (102) substantially orthogonal to said first axis (101) and configured to be incident with said first axis (101) at an intersection point substantially coincident with the centre (72) of the shoulder or hip joint; - a third movable body (123), substantially integral to the user’s (10) arm or leg and connected to said second movable body (122) by a third rotational joint (103), said third rotational joint having a third rotation axis configured to be substantially parallel to the flexion-extension axis of the user’s (10) elbow or knee, substantially orthogonal to said second axis (102) and incident to said second axis (102) at said intersection point substantially coincident with the centre (72) of the shoulder or hip joint, characterised in that said base body is configured to be substantially integrally fixed to a user’s (10) upper body (15) and to be located in the back portion of said upper body (15), in a rucksack-type support (120).