ITUB20152737A1 - Dispositivo robotico a due gradi di liberta con elasticita seriale per la generazione di forze controllate - Google Patents

Description

DISPOSITIVO ROBOTICO A DUE GRADI DI LIBERTÀ CON ELASTICITÀ

SERIALE PER LA GENERAZIONE DI FORZE CONTROLLATE

DESCRIZIONE

Storia della tecnologia

La riabilitazione motoria e neuromotoria richiede l’applicazione di forze controllate al corpo del paziente allo scopo di produrre movimenti utili ai fini della terapia. Tradizionalmente tali forze sono applicate da un operatore umano, ad esempio un terapista. Studi scientifici hanno dimostrato che l’intensità e la specificità di un task motorio sono essenziali per ottenere un trattamento efficace per il recupero delle capacità motorie dopo patologie quali l’ictus. In aggiunta, è noto che gli esercizi previsti dalla terapia devono essere ripetitivi, significativi e sfidanti per il paziente. Di conseguenza, questa attività può richiedere da parte del terapista uno sforzo fisico ripetuto e prolungato, con possibili limitazioni alla durata delle sessioni terapeutiche. Le macchine con funzionalità robotiche possono essere particolarmente idonee a sostituire l’operatore umano in questi scenari.

Un secondo motivo per cui le macchine con funzionalità robotiche risultano particolarmente idonee nel campo della riabilitazione neuromotoria e motoria è che esse, al contrario di quanto possa fare l'operatore umano, consentono di misurare, in modo accurato ed oggettivo, le forze applicate al corpo del paziente allo scopo di produrre il movimento desiderato. Queste misure, a loro volta, possono essere interpretate da personale qualificato per valutare lo stato fisico del paziente e le sue capacità motorie residue. Tale valutazione è importante, ad esempio, per apprezzare l’efficacia di una terapia o il decorso del processo riabilitativo.

Quanto detto motiva lo sviluppo di macchine le cui funzionalità robotiche consentano di generare forze controllate che, adeguatamente trasmesse agli arti del corpo umano, possono consentire il recupero di funzioni fisiche tramite riabilitazione.

Si riconoscerà che è utile che tali macchine risultino facilmente trasportabili, in modo da ridurre i problemi logistici associati al loro trasporto e alla loro installazione. Ciò è particolarmente vero nel caso in cui la terapia debba essere somministrata presso il letto del paziente all’interno di una struttura sanitaria, ovvero presso il suo domicilio.

Per raggiungere questo obiettivo, è necessario che i dispositivi in grado di generare forze controllate siano anche leggeri e compatti.

Inoltre, è necessario che i dispositivi siano sicuri, di modo che né il paziente, né eventuali altre persone presenti nell’ambiente, vengano a trovarsi inavvertitamente a contatto con parti meccaniche in movimento, e specificatamente con organi di trasmissione di potenza, potenzialmente pericolose.

Infine, allo scopo di ridurre i costi di fabbricazione, è utile che tali dispositivi possano essere impiegati in modo modulare, di modo che un certo numero di essi possa essere assemblato a formare diverse tipologie di macchine per riabilitazione, con vantaggi economici legati alle economie di scala associate alla produzione seriale dei moduli.

Descrizione della tecnica antecedente

Nel normale funzionamento di un dispositivo per terapia motoria assistita esistono fasi in cui occorre applicare forze controllate agli arti, superiori o inferiori, del paziente, in modo da assistere il movimento desiderato, e fasi in cui occorre non perturbare il movimento volontario reso possibile dalle capacità motorie residue del soggetto. In questo caso è la macchina ad essere mossa dal paziente (moto retrogrado). Affinché il moto retrogrado possa awenire con la minima perturbazione del movimento volontario del soggetto è necessario che l’intensità della forza di interazione fra macchina e paziente sia molto piccola. Una macchina in grado di essere mossa dal paziente è detta invertibile.

Le macchine per riabilitazione possono essere divise in due categorie. Una prima categoria include le macchine intrinsecamente invertibili, ossia che possono muoversi di moto retrogrado per via della propria struttura meccanica, senza l’impiego di appositi sistemi di controllo. Tali macchine sono generalmente caratterizzate da attriti sufficientemente bassi, tali da garantire un rendimento cinematico nel moto diretto prossimo a uno, e da masse in movimento ridotte. Il vantaggio di queste macchine è che esse possono divenire passive, annullando l’erogazione di coppie o forze da parte degli attuatori. Lo svantaggio di questa categoria di macchine è che la riduzione degli attriti per via meccanica richiede l’adozione di specifiche soluzioni costruttive atte a minimizzare attriti e masse in movimento, con un impatto negativo sui costi.

La seconda categoria comprende le macchine che possono risultare invertibili, controllando in modo opportuno gli attuatori in modo da annullare la forza di interazione fra macchina- e paziente nelle fasi in cui si desidera ottenere il moto retrogrado. Il vantaggio di questo approccio è che consente il contenimento dei costi associati alla realizzazione della struttura meccanica. Lo svantaggio è che la forza di interazione può essere efficacemente annullata solo se il suo contenuto in frequenza ricade all'interno della banda del controllo di forza. Come conseguenza le forze di interazione caratterizzate da un elevato contenuto in frequenza, ad esempio, generate da un urto involontario fra il paziente e la macchina o dovute ad un improvviso spasmo muscolare, non possono essere efficacemente annullate, col risultato che la macchina viene percepita come rigida nei primi istanti di movimento.

Per risolvere questo problema è stato proposto l’impiego di attuatori integranti elementi elastici frapposti fra un motoriduttore ed un carico [US5650704 A, Pratt et al.]. L’efficacia di tale soluzione è ridotta nel caso in cui il carico sia un arto del paziente, ed i motori siano montati lontani dal medesimo, ad esempio allo scopo di garantire una maggiore sicurezza. In questa situazione, infatti, l’impedenza meccanica, ovvero l’inerzia e l’attrito associati agli organi meccanici frapposti fra l’arto e gli attuatori, riflette sull'erto del paziente una forza di interazione non nulla.

Una seconda categorizz azione delle macchine per riabilitazione fisica o neuromotoria riguarda la struttura cinematica. Le macchine per riabilitazione possono avere una struttura seriale, come in [US5466213 A, Hogan et al.], oppure parallela, come in [IT2008RM00242 20080506, Accoto et al.], [WO2014092645 A1, Campolo et al.]. La struttura seriale generalmente garantisce una minore impedenza meccanica riflessa all’effettore, ma di contro richiede motori in grado di erogare una coppia maggiore, specie se, per motivi di sicurezza, detti motori sono connessi al telaio in modo distale rispetto al paziente. Le strutture parallele, oltre ad offrire una maggiore rigidità rispetto alle strutture seriali, tipicamente richiedono attuatori in grado di erogare forze o coppie minori. Tra le strutture parallele sono particolarmente diffuse quelle a telaio chiuso, integranti una pluralità di guide allineate lungo due direzioni fra di loro ortogonali, come in [WO2014092645 A1, Campolo et al.] e in [IT2008RM00242 20080506, Accoto et al.]. Lo svantaggio di queste soluzioni risiede nel fatto che è difficile impedire che il paziente possa venire a trovarsi a distanza pericolosamente ravvicinata da parti meccaniche in movimento, il che può comportare un rischio per la sicurezza. Inoltre, questa soluzione è molto sensibile ad imperfezioni di fabbricazione o montaggio, in quanto eventuali errori di ortogonalità o parallelismo fra diverse coppie di guide possono causare un indesiderato aumento della forza di attrito, o, in casi limite, il bloccaggio e la rottura della macchina.

Svantaggi della tecnica precedente

La tecnica precedente nel settore considerato include una varietà di soluzioni, affette da uno o più dei seguenti svantaggi:

costi elevati associati alla necessità di adottare soluzioni costruttive atte a ridurre l’impedenza meccanica riflessa sull’effettore;

la forza di interazione può essere efficacemente ridotta solo se il suo contenuto in frequenza è sufficientemente limitato;

impiego di motori con elevata coppia per sopperire allo svantaggio cinematico causato dalla necessità di posizionare i motori in posizione distale rispetto al paziente;

difficoltà ad impedire che il paziente possa trovarsi a distanza ravvicinata da organi meccanici per la trasmissione di potenza, quali fili, cinghie, pulegge, guide, carrelli, e simili;

aumento indesiderato delle forze di attrito in caso di imperfezioni di fabbricazione o montaggio che portino ad errori di ortogonalità o parallelismo fra diverse coppie di attuatoli o guide lineari.

Scopi dell’invenzione

Scopo della presente invenzione è risolvere i sopraccitati svantaggi fornendo un dispositivo come sostanzialmente descritto nella rivendicazione 1.

Ulteriori caratteristiche del sistema sono definite nelle corrispondenti rivendicazioni dipendenti.

Lo scopo principale della presente invenzione è di rendere possibile la realizzazione di macchine implementanti tutti i protocolli riabilitativi noti allo stato dell’arte che facciano ricorso al controllo di interazione.

Inoltre, la presente invenzione consente di realizzare macchine per riabilitazione trasportabili, che dunque possono essere installate ed utilizzate dove più opportuno, ad esempio presso palestre per riabilitazione, presso il letto del paziente all’interno di strutture di cura, o presso il domicilio di quest’ultimo.

Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di rendere possibile un approccio modulare alla realizzazione di macchine ad end-effector per la riabilitazione degli arti sia superiori che inferiori. A tale fine, più moduli, ciascuno basato sulla presente invenzione, possono essere assemblati in modo da ottenere una pluralità di configurazioni, come meglio dettagliato nel seguito, atte a riabilitare gli arti superiori o inferiori, in modo monolaterale o bilaterale.

Vantaggi dell’invenzione

La presente invenzione, superando i citati problemi della tecnica nota, comporta numerosi ed evidenti vantaggi. Il problema tecnico che la presente invenzione risolve consiste nel fornire un dispositivo per la terapia motoria robot-mediata dell'arto superiore avente le seguenti caratteristiche:

- massa complessiva inferiore a 30Kg per una più semplice trasportabilità; - possibilità di generare una forza di interazione: i) arbitrariamente orientata in un piano, ii) avente un’intensità minima pari a zero, iii) rapidamente variabile nel tempo;

- contenimento di tutte le parti meccaniche in movimento in un contenitore essenzialmente rigido e chiuso, per maggiore sicurezza del paziente, dell’operatore e del manutentore;

- work-space, compatibile con il range-of-motion dell’arto umano (preferibilmente 43cm x 40cm), che si estende oltre l’effettivo ingombro del dispositivo, che quindi risulta compatto per una più semplice trasportabilità;

- sistema di controllo robusto e computazionalmente poco oneroso.

L’impiego di una struttura cinematica parallela con guide lineari dotata di elementi elastici montati in prossimità dell’ end-effector e attuata tramite motori elettrici a passi comandati dall’apposito sistema di controllo, come sarà dettagliatamente descritto in seguito, permette di ottenere i seguenti ulteriori vantaggi della presente invenzione:

bassa sensibilità agli errori di montaggio, con particolare riferimento agli errori di posizionamento delle guide;

basso costo;

compattezza e leggerezza;

semplicità del sistema di controllo e basso onere computazionale; facilità nella misurazione della forza di interazione, anche con sensori a basso costo, ad esempio tramite una coppia di celle di carico monoassiali oppure tramite la misurazione della deformazione degli elementi elastici montati in prossimità dell’effettore.

La presente invenzione fornisce un utile strumento terapeutico con cui e possibile automatizzare ed ottimizzare il processo riabilitativo. Ciò facilita il lavoro del terapista, che diventa in grado di seguire più pazienti contemporaneamente, riducendo, così, i costi di servizio. Inoltre, la capacità di monitorare e registrare i parametri dinamici di interesse permette di ottenere misure quantitative e quindi valutazioni oggettive dello stato del paziente.

Quanto appena detto vale, in generale, per tutti i sistemi robotici per riabilitazione. Il principale vantaggio introdotto dalla presente invenzione è che tutti i sottosistemi di cui si compone, sia meccanici che elettronici che elettrici, sono racchiusi in un singolo corpo compatto e leggero, essenzialmente chiuso. Di conseguenza, la presente invenzione fornisce un modulo per la realizzazione di macchine riabilitative facilmente trasportabile e caratterizzato dall’offrire una buona protezione del paziente, il quale non è esposto al rischio di venire inavvertitamente in contatto con organi meccanici in movimento e potenzialmente pericolosi, quali pulegge o ingranaggi. Tale caratteristica non è presente in nessun altro sistema di tale tipologia.

La presente invenzione potrà essere utilizzata in strutture riabilitative, in aziende ospedaliere o presso il domicilio del paziente, per somministrare protocolli terapeutici, o come strumento per ottimizzare la terapia motoria dell’arto superiore o inferiore, per la valutazione clinica dello stato dei pazienti o per validare nuove tecniche terapeutiche. Inoltre, data la sua struttura cinematica, la presente invenzione può essere considerata come uno “Stadio XY" e quindi come tale può essere usato, indicativamente, per le stesse applicazioni di un qualsiasi altro sistema di tale tipologia (es. robot per assemblaggio “pick-andplace"). La possibilità di controllare la forza di interazione rende possibile l'impiego del dispositivo in applicazioni dove è richiesta una funzionalità aptica, ad esempio nell’industria dell'entertainment e dell'edutainment o per realizzare sistemi master-slave in scenari di teleoperazione.

Breve descrizione dei disegni

Ancora ulteriori vantaggi, cosi come le caratteristiche e le modalità di impiego della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una forma di realizzazione preferita, presentata a scopo esemplificativo e non limitativo, facendo riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:

la figura 1 mostra lo schema cinematico di una forma di realizzazione del dispositivo secondo la presente invenzione;

la figura 2 mostra una forma realizzativa dei due elementi elastici integrati nella presente invenzione;

la figura 3 mostra in vista prospettica una forma realizzativa preferita del dispositivo oggetto della presente invenzione;

la figura 4 mostra in vista prospettica una forma di realizzazione del dispositivo oggetto della presente invenzione comprensivo di scocca protettiva; la figura 5 mostra in vista prospettica una forma di realizzazione del dispositivo oggetto della presente invenzione durante un suo utilizzo come macchina per riabilitazione dell'arto superiore;

la figura 6 mostra un sistema di dispositivi oggetto della presente invenzione utilizzato come macchina per la riabilitazione dell’arto inferiore;

la figura 7 mostra uno schema a blocchi di un sistema di controllo di impedenza particolarmente idoneo per la presente invenzione e basato sul controllo della posizione o, equivalentemente, della velocità di una coppia di motori a passi.

Descrizione dettagliata dei disegni

Con riferimento alla figura 1, è mostrata una forma di realizzazione preferita di uno schema cinematico 101 di un dispositivo per l’applicazione di una forza controllata ad un soggetto in funzione di dati di training predeterminati secondo la presente invenzione.

I dati di training possono essere funzione di uno specifico esercizio riabilitativo che il soggetto, in questo caso un paziente, deve eseguire, a titolo di esempio una predeterminata traiettoria nel piano del dispositivo oppure il raggiungimento di un bersaglio predefinito.

Tale dispositivo comprende appunto una catena cinematica planare 101 presentante una configurazione cinematica istantanea, detta catena a sua volta comprendente un effettore 12 per l’applicazione di una forza controllata al soggetto ed almeno un elemento elastico 9, 10 che si deforma senza attrito, uno o più mezzi di misura di una forza di interazione dispositivo-soggetto in corrispondenza di detto effettore 12, dei mezzi di attuazione della catena cinematica, dei mezzi per rilevare la suddetta configurazione cinematica istantanea e un sistema di controllo.

Il sistema di controllo del dispositivo, a partire da detta configurazione cinematica istantanea e detti dati di training predeterminati, ricostruisce una forza di interazione misurata, calcola una forza di interazione desiderata e pilota i mezzi di attuazione in maniera tale da applicare all’effettore una forza controllata tale che detta forza di interazione misurata sia sostanzialmente pari a detta forza di interazione desiderata.

Il dispositivo comprende un effettore 12 girevolmente connesso alla cerniera 11, connessa a degli elementi elastici 9, 10, a loro volta connessi ai bracci 7, 8. L’altro estremo dei bracci 7, 8 è connesso alle cerniere 5, 6, solidali ai cursori 3, 4. In altre parole, i due bracci 7, 8 sono rispettivamente connessi mediante cerniere a detti cursori 3, 4 in corrispondenza di una prima estremità terminale e connessi in maniera preferibilmente fissa a detti elementi elastici 9, 10 in corrispondenza di una seconda estremità terminale.

Detti cursori 3, 4 sono scorrevoli o meglio traslanti lungo i binari fissi 1 , 2, e sono movimentati da opportuni mezzi di attuazione della catena cinematica. La posizione dei cursori lungo i binari determina la posizione dell’effettore. In una forma di realizzazione preferita i binari 1 ,2 sono fra di loro paralleli. Questa scelta introduce il vantaggio di ridurre l’ingombro complessivo in pianta del dispositivo.

La forza di interazione con l’arto del soggetto è applicata in corrispondenza dell’effettore. La presenza di detti elementi elastici 9, 10 introduce il vantaggio di assorbire, smorzandolo, l’effetto di eventuali urti o forze repentine applicate all’effettore 12.

La serie costituta dal braccio 7 e dall’elemento elastico 9 è supportata ai suoi estremi dai giunti rotoidali 5, 11. Analogamente, la serie costituta dal braccio 8 e dall’elemento elastico 10 è supportata ai suoi estremi dai giunti rotoidali 6, 11. Pertanto, la forza di interazione applicata in corrispondenza dell’effettore 12 produce in dette due serie forze puramente di compressione o trazione. Gli elementi elastici 9, 10 presentano un’unica direzione di deformazione elastica, preferibilmente la direzione di applicazione di detta forza di trazione o compressione. Di conseguenza, in tutte le configurazioni cinematiche del dispositivo in cui i bracci 7, 8 non sono fra di loro allineati, la lettura della deformazione degli elementi elastici 9, 10, ad esempio ottenibile tramite sensori di posizione quali potenziometri lineari, trasduttori capacitivi o ottici, consente la ricostruzione univoca della forza di interazione.

Affinché tale lettura risulti metrologicamente precisa, è necessario che alla deformazione degli elementi elastici 9,10 non si oppongano forze di attrito, ad esempio dovute a strisciamenti fra parti in moto relativo. Con riferimento alla figura 2, è mostrata una forma di realizzazione degli elementi elastici 9, 10 in cui sono eliminati gli strisciamenti fra le parti in movimento e, conseguentemente, le forza di attrito. In detta forma di realizzazione si riconosce un albero a gomito 20 essenzialmente rigido, avente una superficie di estremità 21 connessa all’effettore 12 e una seconda superficie di estremità 22 connessa a detto sensore di posizione. Gli elementi elastici sono contenuti all'Interno di un tubo 28 solidalmente connesso o coincidente con ciascuno dei bracci 7,8. Detto albero 20 è supportato da elementi elastici flessionali 24, 25, ad esempio realizzati in acciaio armonico al silicio, aventi un estremo vincolato ai telai 26, 27. L’applicazione di una forza perpendicolare alla superficie di estremità 21 causa la flessione di detti elementi elastici flessionali 24, 25 e la traslazione dell’albero a gomito 20 nella medesima direzione della forza.

In altre parole, detti elementi elastici 9, 10 comprendono un albero a gomito 20 connesso a detto effettore in corrispondenza di una prima estremità terminale e ai sensori di misura della deformazione in corrispondenza di una seconda estremità terminale, detto albero a gomito 20 essendo supportato da elementi elastici flessionali 24, 25.

La rigidezza desiderata è garantita dagli addizionali elementi elastici precompressi 23, 24. Dalla figura 2 si riconoscerà che detti elementi elastici 23, 24 sono meccanicamente in parallelo e producono forze di trazione nelle lamelle flessionali 24, 25.

Si riconosce quindi un ulteriore vantaggio della presente invenzione, relativo al fatto che la misura della forza di interazione può essere alternativamente ottenuta impiegando due celle di carico monoassiali, disposte parallelamente ai bracci 7, 8, oppure una cella di carico biassiale, con benefici in termini di minore costo del sistema sensoristico.

Secondo questa alternativa, è preferibile che ciascun sensore di forza (cella di carico) realizzi un unico dispositivo con un corrispondente elemento elastico affinché il sensore stesso sia dotato, nel suo complesso, della richiesta cedevolezza in ogni direzione del piano in cui è generata una forza di interazione. Ad esempio una cella di carico biassiale può comprendere una porzione cedevole in materiale polimerico e trasduttori di posizione di tipo optoelettronico, resistivo o capacitivo.

Una forma di realizzazione di un dispositivo secondo la presente invenzione è mostrata nella figura 3, denotata complessivamente con 100. Nella forma di realizzazione rappresentata, i mezzi di attuazione della catena cinematica possono comprendere dei motori 31, 32. I cursori 3,4 del dispositivo oggetto della presente invenzione possono essere collegati tramite cinghie sincrone 32, 33 in modo da essere movimentati da detti motori 31, 32. La rotazione dell’albero di detti motori produce la traslazione di detti cursori 3,4 e, conseguentemente, il posizionamento dell’effettore 12 connesso alla cerniera 11. Le due cinghie sincrone 32, 33 possono essere sollevate rispetto alla base 38 del dispositivo posizionando opportunamente pulegge addizionali 34, 35, 36, 37. Per controllare la forza di interazione è necessario e sufficiente che i cursori 3,4 siano mossi in modo da produrre la desiderata deformazione degli elementi elastici 9, 10. Ne consegue che la presenza di detti elementi elastici 9, 10 converte il problema di controllare una forza di interazione nel problema di controllare la deformazione di elementi elastici, cosa che può essere ottenuta posizionando opportunamente i cursori 3, 4 rispetto alla cerniera 11. In altri termini, nella presente invenzione il controllo delle forze di interazione è convertito in un problema di controllo di posizione, più semplice in termini computazionali. Ne segue inoltre che i motori 30, 31 possono vantaggiosamente essere motori a passi, caratterizzati da una maggiore coppia per unità di peso e da un minore costo rispetto ai motoriduttori in corrente continua di pari potenza, normalmente impiegati nella robotica. L’impiego di motori a passi rende superfluo l’impiego di riduttori, con vantaggi in termini di peso e ingombro.

Con riferimento alla figura 4, il dispositivo 100 oggetto della presente invenzione può essere contenuto in una scocca essenzialmente chiusa 40, dotata di due asole 41, 42 parallele ai binari 1,2, atte a consentire un movimento di detti bracci 7, 8 all’esterno della scocca stessa. Le due cinghie sincrone 32, 33, sollevate rispetto alla base 38 dalle pulegge addizionali 34, 35, 36, 37, possono essere posizionate in modo da chiudere dette asole 41, 42. E’ evidente il vantaggio della presente invenzione di non esporre all’utente ingranaggi o pulegge in movimento, a beneficio della sicurezza. I pulsanti di stop 43, 44, azionabili in caso di emergenza per il bloccaggio dei motori 30, 31, sono inseriti come ulteriore elemento di sicurezza.

Con riferimento alla figura 5, il dispositivo oggetto della presente invenzione può facilmente essere adattato all’impiego come macchina robotica per la riabilitazione dell’arto superiore tramite l’aggiunta di un opportuno dispositivo 50 avente la funzione di interfaccia con l’operatore.

Con riferimento alla figura 6, il dispositivo oggetto della presente invenzione può essere impiegato come modulo da impiegarsi per assemblare un sistema robotico complesso, ad esempio per la riabilitazione degli arti inferiori. In dettaglio, le sottofigure 6A e 6B mostrano due moduli identici 61 e 62 secondo la presente invenzione connessi ad opportuni elementi di telaio 63. Alla cerniera 11 di ciascun modulo è connesso un attuatore rotativo 64. Tramite gli organi di collegamento 65, 66 è possibile applicare forze utili per la riabilitazione agli arti inferiori del paziente.

Con riferimento alla figura 7, una forma di realizzazione preferita del sistema di controllo del dispositivo oggetto della presente invenzione prevede che la forza di interazione venga calcolata dalla lettura della deformazione degli elementi elastici 9,10 conoscendo la configurazione cinematica istantanea del robot, a sua volta nota grazie ad opportuni sensori di posizione, ad esempio di tipo rotativo se connessi agli alberi dei motori 30, 31, oppure di tipo lineare, se connessi ai cursori 3, 4.

In altre parole, in una forma di realizzazione preferita, i mezzi per rilevare detta configurazione cinematica istantanea comprendono dei sensori di misura della posizione di detti motori 30, 31 o dei sensori di misura della posizione di detti cursori 3, 4.

La posizione della cerniera 11, ricavata dalla cinematica diretta del robot, viene utilizzata come input per un controllo di impedenza, il quale restituisce in output la forza desiderata.

Il controllo di impedenza è utilizzato per definire un’impedenza dinamica generalizzata, corrispondente all’impedenza che si avrebbe se l’effettore 12 fosse collegato ad un telaio fisso tramite due sistemi virtuali massa-molla-smorzatore, disposti a 90° fra di loro. L’impedenza dinamica generalizzata può essere modificata cambiando i parametri di ciascuno di detti due sistemi virtuali massamolla-smorzatore. Nel caso in cui i parametri di detti due sistemi siano tenuti costanti nel tempo si ottiene un’impedenza dinamica generalizzata costante, che instaura un legame lineare fra la forza di interazione e lo spostamento dell’effettore. E’ possibile implementare un legame non lineare fra la forza d’interazione e lo spostamento dell’effettore impostando per i due sistemi virtuali massa-molla-smorzatore dei parametri opportunamente variabili nel tempo in funzione della configurazione cinematica istantanea del dispositivo.

L’impedenza desiderata, che rappresenta il valore target per il controllo di impedenza, può essere configurata in base al tipo di compito che il robot deve eseguire. Ad esempio, in un esercizio in cui i dati di training sono rappresentati da una impedenza funzione del tempo e delle coordinate X, Y nel piano, dove è richiesto ad un paziente con capacità motorie residue non nulle di raggiungere un dato bersaglio, l’impedenza desiderata viene posta a zero (ossia, per entrambi i sistemi virtuali massa-molla-smorzatore, vengono posti a zero la massa, il coefficiente di smorzamento dello smorzatore e la rigidezza della molla) se l’effettore si trova in prossimità della retta che congiunge il punto di partenza con il bersaglio; viceversa, si possono ostacolare movimenti scorretti, che portano l’effettore 12 fuori da detta retta, selezionando un’impedenza non nulla. Infine, alcuni movimenti possono essere completamente bloccati impostando un’impedenza molto alta (ad esempio, rigidezza delle molle virtuali > 50 N/mm).

La forza d’interazione desiderata definita dal controllo di impedenza viene resa all’effettore 12 attraverso un controllo di forza che prende in input anche la forza di interazione misurata. Tale forza di interazione misurata può essere ottenuta tramite opportuni sensori di forza elastici e sufficientemente cedevoli in grado di sostituire funzionalmente gli elementi elastici 9, 10, oppure tramite sensori elastici disposti nei link, illustrati, a titolo esemplificativo, in Fig. 2. In questo secondo caso i sensori non leggono direttamente la forza di interazione, la quale va calcolata noto l’orientamento dei link e l’equazione della cinematica diretta.

Il controllo di forza ha l’obiettivo di mantenere nulla la differenza tra la forza desiderata e quella ricostruita, ovvero l’errore di forza, attraverso un controllo proporzionale-integrale (PI) o proporzionale-integrale-derivativo (PID). Nel dispositivo oggetto della presente invenzione il controllo di forza produce in output una variazione di posizione della cerniera 11. Alternativamente, il controllo di forza produce in output una variazione della velocità della cerniera 11, convertibile in posizione desiderata noto il tempo di esecuzione di un singolo ciclo di controllo.

La posizione desiderata dell’effettore viene trasformata in angolo di rotazione dei motori 30,31 attraverso l’equazione della cinematica inversa. Il segnale di velocità o di posizione in ingresso al driver del motore produce un segnale elettrico di potenza che genera il movimento desiderato dei motori e il conseguente posizionamento della cerniera 11. In tal modo, come precedentemente detto, nella presente invenzione il controllo delle forze di interazione è convertito in un più semplice problema di controllo di posizione. Inoltre, i motori 30, 31 possono essere motori a passi, anziché motori in corrente continua controllati in corrente, in modo da ridurre il peso e l’ingombro complessivo del dispositivo. Questo è possibile, non alterando significativamente la fluidità del movimento, grazie alla tecnica di “microstepping” e utilizzando motori con passo ridotto (ad esempio minore o uguale di 1.8°).

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

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo ( 100) per l’applicazione di una forza controllata ad un soggetto in funzione di dati di training predeterminati, comprendente: - una catena cinematica planare (101) presentante una configurazione cinematica istantanea, comprendente: o un effettore (12) per l’applicazione di detta forza controllata al soggetto; o almeno un elemento elastico (9, 10) atto a deformarsi senza attrito; ed o uno o più mezzi di misura di una forza di interazione dispositivo-soggetto in corrispondenza di detto effettore (12); - mezzi di attuazione (30, 31) della catena cinematica; - mezzi per rilevare detta configurazione cinematica istantanea; ed - un sistema di controllo che, a partire da detta configurazione cinematica istantanea e detti dati di training predeterminati, è atto a ricostruire una forza di interazione misurata, calcolare una forza di interazione desiderata, ed a pilotare detti mezzi di attuazione (30, 31) in maniera tale da applicare a detto effettore (12) una forza controllata tale che detta forza di interazione misurata sia sostanzialmente pari a detta forza di interazione desiderata.
2. 2. Dispositivo (100) secondo la rivendicazione 1, in cui detta catena cinematica (101) comprende due cursori traslanti (3, 4) lungo binari (1, 2), detti cursori essendo movimentati da detti mezzi di attuazione (30, 31) della catena cinematica.
3. 3. Dispositivo (100) secondo la rivendicazione precedente, in cui detti binari (1, 2) sono paralleli.
4. 4. Dispositivo (100) secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui detta catena cinematica comprende due bracci (7, 8) rispettivamente connessi mediante cerniere a detti cursori (3, 4) in corrispondenza di una prima estremità terminale e connessi in maniera fissa a detto almeno un elemento elastico (9, 10) in corrispondenza di una seconda estremità terminale.
5. 5. Dispositivo (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto almeno un elemento elastico (9, 10) presenta un’unica direzione di deformazione elastica.
6. 6. Dispositivo (100) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto almeno un elemento elastico (9, 10) è rispettivamente connesso a detto effettore mediante una cerniera.
7. 7. Dispositivo (100) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi di attuazione della catena cinematica comprendono motori (30, 31), in particolare motori a passi.
8. 8. Dispositivo (100) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi di misura di una forza di interazione dispositivo-soggetto comprendono sensori di misura di deformazione di detto almeno un elemento elastico o sensori di misura di forza.
9. 9. Dispositivo (100) secondo la rivendicazione 8, in cui detti sensori di misura di forza sono celle di carico monoassiali o celle di carico biassiali.
10. 10. Dispositivo (100) secondo la rivendicazione 8, in cui detto almeno un elemento elastico (9, 10) comprende un albero a gomito (20) connesso a detto effettore in corrispondenza di una prima estremità terminale e a detti sensori di misura della deformazione in corrispondenza di una seconda estremità terminale, detto albero a gomito (20) essendo supportato da elementi elastici flessionali (24, 25).
11. 11. Sistema per l’applicazione di forze controllate ad un soggetto, comprendente una pluralità di dispositivi (100) secondo le rivendicazioni precedenti.