ITTO20120890A1 - Unita' elettronica di misura per un dispositivo polimorfico per la misura di forze, e dispositivo polimorfico includente la medesima - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“UNITA' ELETTRONICA DI MISURA PER UN DISPOSITIVO POLIMORFICO PER LA MISURA DI FORZE, E DISPOSITIVO POLIMORFICO INCLUDENTE LA MEDESIMAâ€

La presente invenzione à ̈ relativa ad una unità elettronica di misura per un dispositivo polimorfico per la misura di forze, e al dispositivo polimorfico includente tale unità elettronica di misura.

Come à ̈ noto, in numerosi campi di applicazione à ̈ sentita l’esigenza di misurare forze e/o coppie. A tal fine, sono ad esempio disponibili le cosiddette celle di carico a sei assi, come descritte ad esempio in G. Mastinu, M. Gobbi, G. Previati, “A new six-axis load cell. Part I: design†, Experimental Mechanics 51: 373-388 (2011), oppure in WO2005/015146. Ulteriori esempi di celle di carico a sei assi, anche note come celle di carico a sei gradi di libertà, sono descritti in S. M. Declercq, D. R. Lazor, D.

L. Brown, “A smart 6-DOF load cell development†, Society for Experimental Mechanics (SEM), International Modal Analysis Conference XX, ed in N. G. Tsagarakis, G. Metta, et al., “iCub: the design and realization of an open humanoid platform for cognitive and neuroscience research†, Advanced Robotics, vol. 21, no. 10, pagg. 1151-1175 (2007).

In generale, una cella di carico a sei assi, alla quale in seguito ci si riferisce, per brevità, come alla cella di carico, à ̈ un sistema elettronico atto a fornire le misure di tre componenti di una forza agente sul sistema elettronico stesso, tali tre componenti essendo misurate rispetto ad un sistema di riferimento della cella di carico. Inoltre, la cella di carico à ̈ atta a fornire le misure di tre componenti di una coppia (“torque†) agente sulla cella di carico, tali tre componenti essendo anch’esse misurate rispetto al sistema di riferimento della cella di carico.

In dettaglio, la cella di carico dispone di tre raggi (“spoke†), i quali sono formati in un solo pezzo e sono disposti in modo tale per cui coppie di raggi formano angoli di 120°. Ciascun raggio si diparte da una porzione centrale, formata in un solo pezzo con i raggi stessi. Inoltre, la cella di carico comprende un telaio (“frame†), il quale circonda i raggi.

In maggior dettaglio, ciascun raggio ha una prima estremità, la quale à ̈ connessa alla porzione centrale, ed una seconda estremità, opposta alla prima estremità e vincolata al telaio. Inoltre, su ciascun raggio sono montati uno o più sensori atti a rilevare la deformazione cui à ̈ soggetto il raggio stesso, in seguito all’applicazione delle summenzionate forza e coppia.

In particolare, sono note celle di carico in cui ciascun raggio ha sostanzialmente la forma di un parallelepipedo, ed in cui su ciascuna faccia del parallelepipedo à ̈ disposto un corrispondente estensimetro (“strain gauge†). Considerato un raggio ed i corrispondenti quattro estensimetri, due dei quattro estensimetri, disposti su facce opposte del raggio, sono elettricamente collegati ad una prima coppia di resistori a resistenza fissa, in modo da formare un primo ponte di Wheatstone, del tipo cosiddetto a mezzo ponte. Inoltre, gli altri due estensimetri sono collegati ad una seconda coppia di resistori a resistenza fissa, in modo da formare un secondo ponte di Wheatstone, anch’esso del tipo cosiddetto a mezzo ponte.

Gli estensimetri sono collegati elettricamente ad una unità di eleborazione. Inoltre, ciascun estensimetro fornisce un segnale elettrico indicativo di una corrispondente tensione locale.

L’unità di elaborazione à ̈ in grado di determinare, sulla base dei segnali forniti dagli estensimetri e della forma (nota) dei raggi, un corrispondente vettore locale, formato da tre coppie di forze locali. Ciascuna coppia di forze locali include una prima ed una seconda forza locale, le quali sono tra loro ortogonali ed agiscono su un corrispondente raggio. In particolare, dato un raggio, le corrispondenti prima e seconda forza locale sono le reazioni vincolari cui à ̈ soggetto il raggio, in corrispondenza del proprio vincolo al telaio.

L’unità di elaborazione à ̈ inoltre in grado determinare, sulla base del vettore locale, le summenzionate tre componenti della forza agente sulla cella di carico, nonché le summenzionate tre componenti della coppia agente sulla cella di carico, tali forza e coppia agendo sul centro geometrico della cella di carico. Il sistema di riferimento rispetto al quale tali forza e coppia sono calcolate coincide, solitamente, con il sistema di riferimento del telaio della cella di carico.

Ciò premesso, in numerosi campi di applicazione à ̈ sentita l’esigenza di misurare le forze che vengono esercitate durante la presa di un oggetto. Infatti, à ̈ ad esempio sentita l’esigenza di misurare le forze esercitate da un essere umano o da un robot, durante l’atto di manipolare un oggetto.

Ad esempio, l’articolo di W.D. Memberg e P.E. Crago, “Instrumented objects for quantitative evaluation of hand grasp†, Journal of Rehabilitation Research and Development 34(1), pagg. 82-90, 1997 e l’articolo di G. Kurillo, M. Gregoric, et al., “Grip force tracking system for assessment and rehabilitation of hand function†, Technology and Health Care 13(3), pagg. 137-149, 2005 descrivono dispositivi elettronici atti a misurare le forze che sono applicate durante una presa manuale (“hand grasp†).

Riferendosi dunque alle forze di presa per indicare le forze che si generano quando un oggetto viene manipolato da un utente, sia esso una persona umana o un dispositivo meccanico, i dispositivi elettronici di tipo noto si caratterizzano per la capacità di misurare le forze di presa con buona precisione. Tuttavia, tali dispositivi elettronici hanno una ridotta flessibilità di impiego, dal momento che ciascuno di essi à ̈ progettato in funzione di una corrispondente modalità di presa; in altre parole, ciascun dispositivo elettronico ha una forma che à ̈ predefinita in funzione di un utilizzo atteso, cioà ̈ in funzione della modalità in cui si prevede che l’utente manipoli il dispositivo stesso. Eventuali variazioni rispetto agli utilizzi attesi comportano dunque modifiche profonde dei dispositivi elettronici, ed in particolare delle rispettive circuiterie elettroniche.

Scopo della presente invenzione à ̈ fornire un dispositivo di misura di forze che risolva almeno in parte gli inconvenienti dell’arte nota.

Secondo l'invenzione, vengono forniti un’unità elettronica ed un dispositivo di misura di forze come definiti nelle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione dell’invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 mostra schematicamente una vista prospettica con porzioni rimosse di una forma di realizzazione del presente dispositivo polimorfico;

- la figura 2 mostra schematicamente una vista prospettica di una porzione di una ulteriore forma di realizzazione del presente dispositivo polimorfico;

- la figura 3 mostra schematicamente una vista dall’alto di una porzione della forma di realizzazione mostrata in figura 1;

- la figura 4 mostra una sezione trasversale di una porzione del presente dispositivo polimorfico, durante una fase di assemblaggio;

- le figure 5a-5d mostrano viste prospettiche di esempi di elementi di rivestimento esterno del presente dispositivo polimorfico; e

- le figure 6a-6c mostrano viste prospettiche di forme di realizzazione del presente dispositivo polimorfico, quando assemblate.

Il presente dispositivo polimorfico à ̈ formato sostanzialmente da un’unità elettronica centrale, la quale à ̈ meccanicamente accoppiabile ad una pluralità di elementi di rivestimento esterno, i quali formano una struttura disposta esternamente rispetto all’unità elettronica centrale, la quale à ̈ atta ad essere impugnata, o comunque manipolata. Gli elementi di rivestimento esterno sono disponibili in forme differenti, in maniera tale per cui la struttura esterna può assumere forme differenti, a seconda delle esigenze, senza che sia necessario cambiare o modificare l’unità elettronica centrale. Il presente dispositivo polimorfico forma dunque una struttura modulare, la quale consente di modificare la geometria di una superficie atta ad interagire, ad esempio, con la mano di un utente, senza che sia necessario modificare l’elettronica sottostante.

Ciò premesso, la figura 1 mostra il presente dispositivo polimorfico, indicato nel suo complesso con 1.

Il dispositivo polimorfico 1 comprende la summenzionata unità elettronica centrale 2, la quale a sua volta comprende sei strutture laterali 4 (in figura 1 sono mostrate solo quattro strutture laterali).

Ciascuna struttura laterale 4 comprende una corrispondente cella di carico 6, la quale à ̈ di tipo di per sé noto.

Ciascuna cella di carico 6 comprende, in modo di per sé noto, un elemento di supporto chiuso 8, il quale funge da telaio, ed al cui interno si estendono tre raggi (“spoke†) 10, formati in un solo pezzo e disposti in modo tale da definire tre coppie di raggi, ciascuna coppia di raggi formando un angolo di 120°. In pratica, l’elemento di supporto chiuso 8 circoscrive i tre raggi 10; inoltre, ciascun raggio 10 ha forma di parallelepipedo ed à ̈ vincolato, ad una corrispondente estremità, all’elemento di supporto chiuso 8. Ad esempio, nella forma di realizzazione mostrata in figura 1, i raggi 10 formano un unico pezzo con l’elemento di supporto chiuso 8.

Come mostrato in figura 2, sia pur con riferimento ad una differente forma di realizzazione, su ciascun raggio 10 à ̈ disposto, in modo di pr sé noto, un corrispondente sistema sensore 12, il quale include, ad esempio, quattro estensimetri 14 atti a fornire segnali elettrici indicativi di corrispondenti tensioni locali del raggio 10.

L’unità elettronica centrale 2 comprende inoltre un’unità di elaborazione 20 (figura 3), la quale à ̈ collegata ai sistemi sensori 12. Pertanto, l’unità di elaborazione 20 à ̈ condivisa tra le sei celle di carico 6.

In modo di per sé noto, considerata una qualsiasi struttura laterale 4, l’unità di elaborazione 20 à ̈ in grado di determinare, sulla base dei segnali elettrici forniti dai tre corrispondenti sistemi sensori 12, un corrispondente vettore di struttura laterale, il quale include le tre componenti della forza agente sulla corrispondente cella di carico 6, nonché le tre componenti della coppia agente su tale cella di carico 6, tali forza e coppia agendo sul centro geometrico della cella di carico 6. Ad esempio, le sei componenti di un qualsiasi vettore di struttura locale sono determinate in modo tale per cui esse sono riferite all’elemento di supporto 8, dunque sono nulle quando le summenzionate forza e coppia agenti nel centro geometrico della cella di carico 6 sono nulle.

Nuovamente con riferimento alle strutture laterali 4, ciascuna di esse comprende una regione centrale 22 (figura 2). Il centro geometrico di ciascuna cella di carico 6 Ã ̈ dunque il centroide del solido formato dai tre corrispondenti raggi 10 e dalla corrispondente regione centrale 22.

La regione centrale 22 forma la porzione centrale 26 della corrispondente cella di carico 6, cioà ̈ la porzione dalla quale si dipartono i raggi 10 della cella di carico 6.

La regione centrale 22 forma inoltre tre regioni interne di accoppiamento 28, le quali formano un unico pezzo con la porzione centrale 26, e dunque con i raggi 10, e sono disposte in modo da definire tre coppie di regioni interne di accoppiamento 28, ciascuna coppia formando un angolo di 120°. Inoltre, le regioni interne di accoppiamento 28 sono disposte in modo tale per cui ciascuna di esse à ̈ disposta radialmente tra una corrispondente coppia di raggi 10 e dista da ciascuno di tali raggi una distanza angolare pari a 60°. In aggiunta, ciascuna regione interna di accoppiamento 28 delimita un corrispondente incavo interno 30, di tipo cieco e rivolto verso l’alto.

Ciascuna struttura laterale 4 comprende inoltre un rispettivo strato protettivo 32, il quale à ̈ vincolato al corrispondente elemento di supporto chiuso 8, sovrasta la corrispondente cella di carico 6 e definisce una cavità superiore 33 di tipo passante, la quale sovrasta gli incavi interni 30, in maniera tale da consentire l’accesso dall’esterno agli incavi interni 30. Per semplicità, in figura 1 à ̈ mostrato un solo strato protettivo 32.

Ciascuno strato protettivo 32 assolve la funzione di proteggere le porzioni sottostanti, durante le fasi di montaggio e di manipolazione dell’unità elettronica centrale 2.

Le sei strutture laterali 4 sono vincolate in maniera tale per cui l’unità elettronica centrale 2 assume la forma di un cubo. A tal fine, considerata una qualsiasi struttura laterale 4, essa à ̈ vincolata a quattro strutture laterali 4 ad essa adiacenti.

In dettaglio, considerata una qualsiasi struttura laterale 4, essa à ̈ vincolata a ciascuna tra le quattro strutture laterali ad essa adiacenti mediante impiego di una corrispondente vite di accoppiamento 34.

In maggior dettaglio, assumendo di riferirsi, ad esempio, ad una prima struttura laterale (mostrata in figura 4, dove à ̈ indicata con 4’), la quale à ̈ disposta ad esempio al di sopra di una seconda struttura laterale (indicata con 4†in figura 4), gli elementi di supporto chiuso della prima e della seconda struttura laterale 4’, 4†(indicati rispettivamente con 8’ e 8†) formano rispettivamente un primo foro filettato 35 ed un primo foro non filettato 36, i quali sono allineati tra loro, il primo foro filettato 35 essendo passante e comunicando con il primo foro non filettato 36. Il primo foro filettato 35 ha un diametro inferiore rispetto al primo foro non filettato 36. Inoltre, la vite di accoppiamento (indicata con 34’) si estende attraverso il primo foro filettato 35 ed il primo foro non filettato 36. Più in particolare, la vite di accoppiamento 34’ à ̈ tale da impegnare il primo foro filettato 35 contattando direttamente lo stesso primo foro filettato 35; inoltre, la vite di accoppiamento 34’ à ̈ tale per cui essa impegna con gioco il primo foro non filettato 36, cioà ̈ non contatta le pareti del primo foro non filettato 36. In altre parole, alla vite di accoppiamento 34’ à ̈ accoppiata solamente al primo foro filettato 35, dunque à ̈ fissata solamente all’elemento di supporto chiuso 8’ della prima struttura laterale 4’, ed à ̈ sostanzialmente equivalente ad un cosiddetto perno a pressione (“press-fit pin†). Tuttavia, rispetto ad un perno a pressione, la vite di accoppiamento 34’ si caratterizza per una maggiore facilità di rimozione ed inserimento.

Dal momento che quanto detto a proposito della prima struttura laterale 4’ à ̈ valido anche per tutte le altre strutture laterali 4 dell’unità elettronica centrale 2, e considerato che le sei strutture laterali 6 formano un solido poliedrico completo di tutte le sue facce (quindi, chiuso), si verifica che le strutture laterali 4 sono tutte vincolate tra loro, in modo da garantire l’assemblaggio dell’unità elettronica centrale 2. Inoltre, l’unità elettronica centrale 2 à ̈ assemblata in modo da ridurre le tensioni all’interno della stessa unità elettronica centrale 2, tali tensioni potendo in genere essere causate da tolleranze e disallineamenti tra le parti meccaniche dell’unità elettronica centrale 2. In particolare, sono ridotte le tensioni cui sono sottoposti, in seguito all’assemblaggio dell’unità elettronica centrale 2, gli elementi di supporto chiuso 8, e dunque anche i raggi 10. In tal modo, si riduce la possibilità che tensioni residue causate dall’assemblaggio dell’unità elettronica centrale 2 possano alterare i segnali elettrici forniti dai sistemi sensori 12, generando corrispondenti offset. Si perviene così a migliorare la precisione del dispositivo polimorfico 1. Inoltre, nel caso in cui il dispositivo polimorfico 1 sia sottoposto a cicli di carico, si riduce la possibilità che tali cicli di carico possano causare un accumulo di tensioni meccaniche all’interno dell’unità elettronica centrale 2, con conseguente generazione di isteresi nelle misure delle forze.

Vantaggiosamente, l’assemblaggio dell’unità elettronica centrale 2 attraverso le viti di accoppiamento 34 può avvenire mediante impiego di viti preliminari 39.

In particolare, riferendosi ancora, ad esempio, alla prima ed alla seconda struttura laterale 4’ e 4†, gli elementi di supporto chiuso 8’, 8†della prima e della seconda struttura laterale 4’, 4†formano rispettivamente un secondo foro non filettato 37 ed un secondo foro filettato 38, i quali sono allineati tra loro, il secondo foro non filettato 37 essendo passante e comunicando con il secondo foro filettato 38. Il secondo foro filettato 38 ha un diametro inferiore rispetto al secondo foro non filettato 37. In tal modo, prima di inserire la vite di accoppiamento 34’ all’interno del primo foro filettato 35 e del primo foro non filettato 36, à ̈ possibile inserire una vite preliminare 39, in modo che attraversi il secondo foro non filettato 37 ed il secondo foro filettato 38. In particolare, la vite preliminare 39 attraversa con gioco il secondo foro non filettato 37, mentre si accoppia al secondo foro filettato 38. Inoltre, la testa della vite preliminare 39 contatta l’elemento di supporto chiuso 8’ della prima struttura laterale 4’, in modo da vincolarlo all’elemento di supporto chiuso 8†della seconda struttura laterale 4†.

Dopo aver fissato la vite preliminare 39, la prima e la seconda struttura laterale 4’ e 4†sono fissate tra loro, dunque l’inserimento della vite di accoppiamento 34’ risulta agevolato. Una volta inserita la vite di accoppiamento 34’, si procede a rimuovere la vite preliminare 39. A titolo puramente esemplificativo, in figura 1 sono comunque mostrate anche le viti preliminari 39, sebbene, come spiegato, esse siano preferibilmente assenti, una volta terminato l’assemblaggio dell’unità elettronica centrale 2.

Come mostrato nelle figure 1 e 4, data una qualsiasi struttura laterale 4, le viti di accoppiamento 34 e le viti preliminari 39 sono tra loro parallele e sono disposte in modo da formare quattro coppie di viti, ciascuna coppia essendo disposta in prossimità di un rispettivo vertice di un quadrato definito dal corrispondente elemento di supporto chiuso 8.

Indipendentemente dai dettagli relativi all’assemblaggio dell’unità elettronica centrale 2, il dispositivo polimorfico 1 comprende sei elementi di rivestimento esterno 40 (figure 5a-5d), ciascuno dei quali à ̈ elettricamente passivo ed à ̈ atto ad essere accoppiato meccanicamente ad una corrispondente struttura laterale 4, e dunque ad una corrispondente cella di carico 6. In particolare, ciascun elemento di rivestimento esterno 40 à ̈ atto ad essere accoppiato alla corrispondente regione centrale 22, mediante impiego di una vite di fissaggio 42. A tal fine, ciascuna regione centrale 22 forma una cavità di fissaggio 43, la quale à ̈ filettata ed à ̈ atta ad accoppiarsi con una corrispondente vite di fissaggio 42. Inoltre, il centro geometrico di ciascuna cella di carico 6 cade all’interno della corrispondente cavità di fissaggio 43.

In maggior dettaglio, come mostrato nelle figure 5a-5d, sono possibili forme di realizzazione in cui le superfici esterne degli elementi di rivestimento esterno 40, cioà ̈ le superfici che in uso non sono rivolte verso l’unità elettronica centrale 2, hanno forma a scelta tra: quadrati (figura 5a), porzioni di una sfera (figura 5b), cerchi (figura 5c) e porzioni di un cilindro (figura 5d). Inoltre, indipendentemente dalla forma della propria superficie esterna, ciascun elemento di rivestimento esterno 40 forma una regione esterna di accoppiamento 48, la quale à ̈ rivolta, quando l’elemento di rivestimento esterno 40 à ̈ accoppiato all’unità elettronica centrale 2, verso la corrispondente struttura laterale 4. La regione esterna 48 si estende attraverso la cavità superiore 33 definita dal corrispondente strato protettivo 32, per accoppiarsi alla sottostante regione centrale 22.

In particolare, la regione esterna di accoppiamento 48 forma tre protrusioni 50, ciascuna della quali ha forma di parallelepipedo ed à ̈ atta ad essere alloggiata all’interno di un corrispondente incavo interno 30, quando l’elemento di rivestimento esterno 40 à ̈ accoppiato all’unità elettronica centrale 2, contattando così le regioni interne di accoppiamento 28, e dunque la regione centrale 22. Le protrusioni 50 consentono inoltre di allineare agevolmente l’elemento di rivestimento esterno 40 alla sottostante struttura laterale 4, in modo che esso assuma una posizione prestabilita rispetto a quest’ultima.

Accoppiando all’unità elettronica centrale 2 elementi di rivestimento esterno 40 di forma opportuna, si genera una superficie di contatto 60 del dispositivo polimorfico 1, la quale à ̈ formata dall’insieme delle superfici esterne degli elementi di rivestimento esterno 40 e, a differenza della sottostante unità elettronica centrale 2, può essere manipolata da un utente. Come mostrato, a titolo puramente esemplificativo, nelle figure 6a-6c, la superficie di contatto 60 può assumere una forma a scelta tra una superficie cubica, una superficie sferica ed una superficie cilindrica. A titolo puramente esemplificativo, la superficie cubica può avere un lato lungo 5cm; la superficie sferica può avere un diametro pari a 7 cm, e la superficie cilindrica può avere un diametro pari a 7 cm ed una lunghezza pari a 12 cm. Inoltre, il peso complessivo del dispositivo polimorfico 1 à ̈ ad esempio inferiore a tre etti.

In uso, assumendo per ipotesi che un utente tocchi la superficie di contatto 60, e dunque applichi una forza esterna in un punto di contatto di un dato elemento di rivestimento esterno 40, tale elemento di rivestimento esterno 40 trasmette a sua volta una forza alla corrispondente cella di carico 6, attraverso la corrispondente vite di fissaggio 42 e le proprie protrusioni 50. Pertanto, l’unità di elaborazione 20 determina il corrispondente vettore di struttura laterale, sulla base dei segnali elettrici forniti dalla corrispondente cella di carico 6. Tale vettore di struttura laterale comprende le tre componenti di una forza interna, la quale agisce nel centro geometrico della corrispondente cella di carico 6, nonché le tre componenti della coppia agente nel centro geometrico di tale cella di carico 6.

L’unità di elaborazione 20 à ̈ inoltre configurata per determinare, sulla base del summenzionato vettore di struttura laterale e della forma (nota) dell’elemento di rivestimento esterno 40, il punto di contatto, nonché la forza esterna. A tal fine, l’unità di elaborazione 20 può implementare gli algoritmi descritti, ad esempio, in A. Bicchi, J. K. Salisbury, et al., “Contact Sensing from Force Measurements†, International Journal of Robotics Research 12, pagg. 249-252, oppure gli algoritmi implementati nelle cosiddette piastre di forza.

L’unità di elaborazione à ̈ dunque in grado di determinare, per ciascun elemento di rivestimento esterno 40, una forza esterna ad esso applicata, nonché il corrispondente punto di applicazione. Nel caso in cui ad un dato elemento di rivestimento esterno 40 siano applicate più forze esterne, l’unità di elaborazione 20 determina la forza risultante.

Le informazioni relative alle grandezze determinate dall’unità di elaborazione 20 sono messe a disposizione, ad esempio, di un calcolatore esterno (non mostrato), a cui l’unità elettronica di elaborazione 20 può collegarsi.

In maggior dettaglio, come mostrato in figura 3, l’unità elettronica centrale 2 comprende, per ciascuna cella di carico 6, una scheda di circuito stampato (“printed-circuit board†, PCB) 70, la quale à ̈ saldata alla porzione centrale 26 ed alle regioni interne di accoppiamento 28 della cella di carico 6, al fine di ottenere una maggiore semplicità costruttiva. Sulla scheda PCB 70 sono presenti piste conduttive 72, le quali sono elettricamente collegate agli estensimetri 14 presenti all’interno dei sistemi sensori 12, mediante interposizione di fili conduttivi 76. A titolo puramente esemplificativo, in figura 3 sono mostrati due estensimetri 14, due piste conduttive 72 e due fili conduttivi 76.

La scheda PCB 70 comprende inoltre un bus flessibile 78, al cui interno scorrono le piste conduttive 72. Il bus flessibile 78 à ̈ a sua volta collegato all’unità di elaborazione 20, in modo da connettere elettricamente gli estensimetri 14 all’unità di elaborazione 20, in modo semplice ed affidabile. In tal modo, anche le eventuali operazioni di manutenzione e disassemblaggio dell’unità elettronica centrale 2, nonché le operazioni di instradamento (“rooting†) dei cammini elettrici, risultano agevolate.

Come mostrato ancora in figura 2, sono inoltre possibili forme di realizzazione in cui ciascuna cella di carico 6 comprende tre perni di protezione 80, ciascuno dei quali corrisponde ad una rispettiva regione interna di accoppiamento 28. In figura 2, per semplicità, à ̈ mostrato un solo perno di protezione 80.

In particolare, data una regione interna di accoppiamento 28, il corrispondente perno di protezione 80 attraversa il corrispondente elemento di supporto chiuso 8, nel quale à ̈ fissato a pressione. Inoltre, il perno di protezione 80 protrude oltre l’elemento di supporto chiuso 8, in modo da estendersi all’interno di una cavità di protezione 90 formata all’interno della regione interna di accoppiamento 28 e differente rispetto all’incavo interno 30 definito dalla stessa regione interna di accoppiamento 28. La cavità di protezione 90 à ̈ un foro cieco di forma cilindrica, con diametro tale per cui, quando la cella di carico 6 non à ̈ deformata, il perno di protezione 80 si estende con gioco all’interno della cavità di protezione 90. Pertanto, in assenza di deformazioni, o in presenza di deformazioni inferiori ad un valore di soglia, il perno di protezione 80 non si accoppia con la corrispondente regione interna di accoppiamento 28. Nel caso in cui, invece, la cella di carico 6 si deformi oltre il summenzionato valore di soglia, il perno di protezione 80 contatta le pareti della cavità di protezione 90, dunque si accoppia alla regione interna di accoppiamento 28, prevenendo, o comunque limitando, ulteriori deformazioni di tale regione interna di accoppiamento 28, e dunque della cella di carico 6. In tal modo, si prevengono situazioni di sovraccarico che potrebbero danneggiare la cella di carico 6.

I vantaggi che il presente dispositivo polimorfico consente di ottenere emergono chiaramente dalla descrizione precedente.

In particolare, il presente dispositivo polimorfico dispone di una singola unità elettronica, la quale può essere accoppiata con differenti elementi di rivestimento esterno, in modo da generare una superficie di interazione avente una geometria opportuna, a seconda delle necessità, senza modificare la sottostante unità elettronica. Il presente dispositivo polimorfico si caratterizza dunque, tra l’altro, per ridotti costi di esercizio e per un’elevata flessibilità di utilizzo. Inoltre, il presente dispositivo polimorfico consente di determinare forze e coppie agenti sul dispositivo stesso, nonché corrispondenti punti di applicazione di tali forze.

Risulta infine evidente che al presente dispositivo polimorfico ed all’unità elettronica possono essere apportate modifiche e varianti, senza uscire dall’ambito della presente invenzione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

Ad esempio, l’unità elettronica centrale può essere formata da un numero differente di strutture laterali. Ad esempio, l’unità elettronica centrale può essere formata da quattro strutture laterali, disposte in modo da formare in tetraedro. Inoltre, in luogo delle viti di accoppiamento, possono essere presenti corrispondenti perni.

Ancora con riferimento all’unità elettronica centrale, essa può essere equipaggiata con sensori inerziali e/o accelerometri, al fine di fornire ulteriori informazioni circa la manipolazione del dispositivo polimorfico. Inoltre, l’unità elettronica centrale può comprendere una batteria e un modulo di comunicazione senza fili, per consentire la trasmissione dei dati da essa determinati.

Relativamente agli elementi di rivestimento esterno, essi possono essere almeno in parte rugosi, per facilitarne la presa. Inoltre, essi possono essere formati almeno in parte di materiale polimerico. Ancora, uno o più elementi di rivestimento esterno possono essere formati almeno in parte da sensori tattili, ad esempio di un tipo a scelta tra: resistivo, conduttivo, capacitivo, piezoelettrico, barometrico, ecc. In tal caso, ciascun sensore tattile può funzionare in modalità cosiddetta on/off, in modo da consentire la rilevazione di punti di contatto multipli, oppure in modalità continua, al fine di misurare una pressione esercitata durante una presa.

Relativamente alle celle di carico, esse possono essere di tipo differente. Ciascuna di esse può quindi comprendere un numero differente di raggi e sistemi sensori di tipo differente; ad esempio, ciascuna cella di carico può includere un numero differente di estensimetri, i quali possono inoltre essere collegati in modo differente da quanto descritto. Sono quindi possibili, ad esempio, forme di realizzazione in cui ciascuna cella di carico comprende solo sei estensimetri, i quali forniscono sei segnali elettrici indicativi del carico applicato e definenti una misura a sei gradi di libertà.

Inoltre, le regioni interne di accoppiamento e le regioni esterne di accoppiamento possono essere assenti, o comunque possono avere forme e disposizioni differenti rispetto a quanto mostrato e descritto. E’ inoltre possibile che, in sostituzione di una o più celle di carico, siano presenti sensori differenti, i quali sono comunque atti a generare segnali elettrici indicativi di deformazioni di corrispondenti strutture di supporto.

Infine, relativamente alle modalità di impiego del presente dispositivo polimorfico, un elemento di rivestimento esterno può essere reso solidale ad una superficie fissa (non mostrata), nel qual caso il dispositivo polimorfico fornisce le misure delle forze e delle coppie applicate al dispositivo stesso, riferite alla superficie fissa, tali misure essendo fornite dalla cella di carico che corrisponde all’elemento di rivestimento esterno reso solidale alla superficie fissa. Alternativamente, il dispositivo polimorfico può essere impiegato per formare un sistema complesso atto ad essere manipolato da più utenti.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Unità elettronica di misura per un dispositivo polimorfico (1), comprendente un numero di strutture laterali (4), ciascuna struttura laterale includendo: - una struttura di supporto (8,10,22,26,28); - almeno un sensore (12,14) vincolato alla struttura di supporto e atto a generare un segnale elettrico indicativo di una deformazione di detta struttura di supporto; e - mezzi di accoppiamento (43) atti a vincolare in modo rilasciabile, a detta struttura di supporto, un corrispondente elemento di rivestimento esterno (40), in maniera tale per cui, quando detto corrispondente elemento di rivestimento esterno à ̈ vincolato a detta struttura di supporto ed una forza esterna agisce su detto corrispondente elemento di rivestimento esterno, detto segnale elettrico à ̈ indicativo di detta forza esterna.
2. 2. Unità elettronica secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre un’unità di elaborazione (20) collegata ai sensori (12,14) e configurata per determinare, per ciascuna struttura laterale (4), una misura della forza esterna agente sul corrispondente elemento di rivestimento esterno (40).
3. 3. Unità elettronica secondo la rivendicazione 2, in cui l’unità di elaborazione (20) à ̈ inoltre configurata per determinare, per ciascuna struttura laterale (4), il punto di applicazione della forza esterna agente sul corrispondente elemento di rivestimento esterno (40).
4. 4. Unità elettronica secondo la rivendicazione 2, in cui ciascuna struttura laterale (4) forma una rispettiva cella di carico a sei assi (6), la quale include una pluralità di raggi (10), connessi tra loro e circoscritti da un telaio di supporto (8) al quale sono vincolati; ed in cui detta unità di elaborazione (20) à ̈ inoltre configurata per determinare, per ciascuna struttura laterale, un corrispondente vettore formato da tre componenti di una forza interna e da tre componenti di una coppia, dette forza interna e coppia agendo in un punto della struttura di supporto (8,10,22,26,28) della struttura laterale ed essendo causate dalla forza esterna agente sul corrispondente elemento di rivestimento esterno (40).
5. 5. Unità elettronica secondo la rivendicazione 4, in cui l’unità di elaborazione (20) à ̈ configurata per determinare, per ciascuna struttura laterale (4), detta misura della forza esterna agente sul corrispondente elemento di rivestimento esterno (40) ed il punto di applicazione di detta corrispondente forza esterna, sulla base del corrispondente vettore.
6. 6. Unità elettronica secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui ciascuna cella di carico (6) comprende una pluralità di estensimetri (14), e comprendente inoltre, per ciascuna cella di carico, una corrispondente scheda di circuito stampato (70), gli estensimetri di ciascuna della di carico essendo collegati elettricamente all’unità di elaborazione (20) mediante interposizione della corrispondente scheda di circuito stampato.
7. 7. Unità elettronica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 4 a 6, in cui ciascuna struttura di supporto (8,10,22,26,28) forma una corrispondente regione centrale (22), alla quale sono vincolati i corrispondenti raggi (10), detta regione centrale formando un numero di cavità di accoppiamento (30) atte ad alloggiare corrispondenti protrusioni (50) del corrispondente elemento di rivestimento esterno (40), dette cavità di accoppiamento essendo radialmente distanziate rispetto a detti corrispondenti raggi (10).
8. 8. Unità elettronica secondo la rivendicazione 7, in cui ciascuna regione centrale (22) forma un numero di regioni interne di accoppiamento (28), ciascuna delle quali forma una corrispondente cavità di accoppiamento (30), detta unità elettronica comprendendo inoltre almeno un elemento di protezione (80), vincolato ad uno tra i telai di supporto (8) ed estendentesi in parte, con gioco, all’interno di una cavità di protezione (90) formata in una corrispondente regione interna di accoppiamento (28), in maniera tale per cui l’elemento di protezione contatta le pareti della cavità di protezione se detta corrispondente regione interna di accoppiamento si deforma localmente oltre una soglia di deformazione, prevenendo una ulteriore deformazione di detta corrispondente regione interna di accoppiamento.
9. 9. Unità elettronica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le strutture laterali (4) sono disposte in modo da formare un poliedro.
10. 10. Unità elettronica secondo la rivendicazione 9, in cui ciascuna strutturale laterale (4’) à ̈ accoppiata ad un numero di strutture laterali ad essa adiacenti, mediante impiego di corrispondenti elementi di connessione (34’), ciascun elemento di connessione essendo accoppiato alla struttura di supporto (8’) della struttura laterale ed estendendosi in parte, con gioco, all’interno di una cavità di alloggiamento (36) formata all’interno della struttura di supporto (8†) della corrispondente struttura laterale adiacente (4†).
11. 11. Unità elettronica secondo la rivendicazione 10, in cui detti elementi di connessione sono viti (34), ed in cui la struttura di supporto (8) di ciascuna struttura laterale (4) forma, per ciascuna struttura laterale adiacente, una rispettiva cavità filettata (35), la quale comunica con la corrispondente cavità di alloggiamento (36), la vite che si estende con gioco all’interno di detta corrispondente cavità di alloggiamento essendo accoppiata a detta rispettiva cavità filettata.
12. 12. Unità elettronica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi di accoppiamento comprendono una cavità di fissaggio (43), formata all’interno della struttura di supporto (8,10,22,26) ed atta ad accoppiarsi con una rispettiva vite di fissaggio (42).
13. 13. Dispositivo polimorfico comprendente l’unità elettronica di misura (2) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, ed una pluralità di elementi di rivestimento esterno (40).
14. 14. Dispositivo polimorfico secondo la rivendicazione 13, quando dipendente dalla rivendicazione 8, in cui ciascuno di detti elementi di rivestimento esterno (40) forma un numero di protrusioni (50) atte ad accoppiarsi con dette cavità di accoppiamento (30), in modo che l’elemento di rivestimento esterno assuma una posizione prestabilita rispetto alla corrispondente struttura di supporto (10,22,26,28).