ITUB20155199A1

ITUB20155199A1 - Dispositivo di variazione attiva della rigidezza, particolarmente per piede di robot antropomorfo.

Info

Publication number: ITUB20155199A1
Application number: ITUB2015A005199A
Authority: IT
Inventors: Wooseok Choi; Nikolaos G Tsagarakis; Cerda Gustavo A Medrano; Darwin Gordon Caldwell
Original assignee: Fondazione St Italiano Tecnologia; Univ Degli Studi Genova
Priority date: 2015-10-21
Filing date: 2015-10-21
Publication date: 2017-04-21
Also published as: EP3365144B1; EP3365144A1; WO2017068037A1; US20180311837A1; US10603803B2

Description

"Dispositivo di variazione attiva della rigidezza, particolarmente per piede di robot antropomorfo"

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda in generale un meccanismo di variazione attiva della rigidezza, comprendente almeno un organo flessibile e un dispositivo di regolazione della rigidezza per regolare attivamente la rigidezza dell'almeno un organo flessibile. Più specificamente, la presente invenzione riguarda un piede di robot antropomorfo che utilizza tale meccanismo per regolare la rigidezza di almeno un dito del piede flessibile.

Nel corso dell'ultimo decennio sono stati sviluppati molti robot antropomorfi con migliorate capacità di equilibrio e di recupero, e anche con capacità di locomozione e corsa su terreni irregolari. La maggior parte di questi robot impiega semplici piedi rettangolari piani che utilizzano un materiale elastico come pianta del piede. Questa configurazione di piede è comune, ma rende difficile riprodurre la locomozione umana, soprattutto su terreni sconnessi. Inoltre, un gran numero di robot antropomorfi con andature basate sui principi dello "zero moment point" e del pendolo inverso hanno seri svantaggi in termini di locomozione su terreni sconnessi e di eccessivo consumo di energia, dovuti ai grandi angoli di ginocchio durante il ciclo di cammino.

Per superare alcune di queste limitazioni, i ricercatori hanno proposto piedi provvisti di dita e hanno introdotto la rigidezza nel progetto del piede. Per esempio, una punta del piede passiva flessibile è stata facilmente introdotta aggiungendo un giunto e molle di torsione che controllano la rotazione di questo giunto. Un piede per robot antropomorfo comprendente una punta del piede passiva flessibile del tipo sopra citato è noto da CN 103057620.

Meccanismi per la variazione attiva della rigidezza sono già stati sviluppati, ma tali meccanismi sono stati progettati per giunti rotazionali e non sono adatti per essere utilizzati su piedi di robot antropomorfi piccoli. Altre soluzioni conosciute utilizzano invece una punta del piede attiva come regolatore d'impedenza per aumentare il bilanciamento durante la fase di appoggio e quando il robot antropomorfo inizia o finisce di camminare.

Scopo della presente invenzione è fornire un meccanismo cedevole che sia in grado di regolare attivamente la rigidezza di un organo elastico e che sia semplice e compatto in modo da essere atto all'utilizzo su piedi di robot antropomorfi.

Questi e altri scopi sono pienamente raggiunti secondo la presente invenzione grazie a un meccanismo di variazione attiva della rigidezza come definito nella rivendicazione indipendente 1.

Forme di realizzazione vantaggiose dell'invenzione formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto è da intendersi come parte integrale e integrante della descrizione che segue.

In sintesi, l'invenzione si basa sull'idea di realizzare 1'almeno un organo flessibile come una molla a lamina avente una porzione posteriore rigidamente collegata a una superficie piana di una base di supporto del meccanismo, una porzione anteriore sporgente dalla base di supporto e una porzione intermedia che non è collegata alla base di supporto ed è quindi liberamente deformabile, insieme alla porzione anteriore, per effetto dell'applicazione di una forza esterna sulla porzione anteriore, e sull'idea di fornire un dispositivo di regolazione della rigidezza comprendente un gruppo di rulli, che è tenuto in contatto con la porzione intermedia della/e molla/e a lamina ed è mobile rispetto alla/e molla/e a lamina, e un gruppo di azionamento predisposto per spostare il gruppo di rulli e quindi il punto di contatto del gruppo di rulli con la/e molla/e a lamina, variando così la lunghezza della porzione a sbalzo della/e molla/e a lamina e quindi la rigidezza della/e molla/e a lamina, Modificando la posizione del gruppo di rulli rispetto alla/e molla/e a lamina, è quindi possibile variare la lunghezza della porzione a sbalzo della/e molla/e a lamina e quindi la rigidezza della/e molla/e a lamina. Il meccanismo è molto semplice e compatto ed è adatto quindi per essere utilizzato su un piede di robot antropomorfo per munire il piede di una punta del piede flessibile la cui rigidezza è controllabile attivamente. Ciò consente di adattare la rigidezza a livello della punta del piede, per esempio a seconda che il robot sia fermo in piedi o stia camminando, o a seconda delle caratteristiche del terreno su cui il robot sta camminando.

Preferibilmente, 1'almeno una molla a lamina è sagomata in modo tale che la sua larghezza nel punto di contatto con il gruppo di rulli varia a seconda della posizione del gruppo di rulli. In questo caso, quindi, la rigidezza dell'almeno una molla a lamina dipende dalla posizione del gruppo di rulli non solo perché la lunghezza della molla dipende dalla posizione del gruppo di rulli, ma anche perché la larghezza della molla dipende dalla posizione del gruppo di rulli. Conformando per esempio la molla a lamina in modo tale che la larghezza della molla aumenti al diminuire della lunghezza della molla, si può ottenere una più ampia gamma di valori di rigidezza rispetto al caso in cui la larghezza della molla è costante.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno dalla descrizione dettagliata che segue, data a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, in cui:

le figure 1 e 2 sono viste prospettiche, rispettivamente da sopra e da sotto, di un piede di robot antropomorfo dotato di un dispositivo di variazione attiva della rigidezza secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

la figura 3 è una vista in pianta della porzione di punta del piede delle figure 1 e 2;

la figura 4 è una vista prospettica che mostra un dettaglio del dispositivo di regolazione della rigidezza del piede delle figure 1 e 2;

le figure 5 e 6 sono, rispettivamente, una vista prospettica e una vista in sezione assiale del gruppo di rulli del dispositivo di regolazione della rigidezza del piede delle figure 1 e 2;

la figura 7 è una vista in sezione assiale che mostra come il gruppo di rulli è vincolato a una base di supporto del piede delle figure 1 e 2;

la figura 8 mostra schematicamente una punta flessibile del piede delle figure 1 e 2 nella condizione deflessa a seguito dell'applicazione di una forza esterna in corrispondenza dell'estremità libera della punta del piede; e

la figura 9 è una vista prospettica che mostra in dettaglio le due dita flessibili (una parzialmente asportata) del piede delle figure 1 e 2.

Una forma di realizzazione del meccanismo di variazione attiva della rigidezza secondo l'invenzione verrà ora descritta con riferimento alla sua applicazione su un piede di robot antropomorfo, dove è utilizzato per controllare attivamente la rigidezza di una coppia di molle a lamina che formano le dita del piede. L'invenzione non è tuttavia da intendersi come limitata a questa specifica applicazione, ma può essere utilizzata in altre applicazioni in cui sia richiesto il controllo attivo della rigidezza di almeno un organo flessibile realizzato come una molla a lamina.

Con riferimento inizialmente alle figure 1 e 2, un piede per robot antropomorfo è complessivamente indicato con 10. Il piede 10 comprende fondamentalmente una base del piede 12 realizzata come corpo rigido e una coppia di molle a lamina 14 agenti come dita flessibili, le quali sono fissate con le loro estremità posteriori alla base del piede 12 e si estendono in avanti da quest'ultima a sbalzo. Ciascuna molla a lamina 14 porta a una sua estremità libera un rispettivo organo di contatto anteriore 16 per il contatto con il terreno. E' previsto anche un organo di contatto posteriore 18, fissato all'estremità posteriore della base del piede 12.

Come mostrato nella figura 9, gli organi di contatto anteriori 16 comprendono ciascuno una sfera di gomma 20 e un sensore di pressione 22 per misurare la pressione applicata alla sfera di gomma 20. Lo stesso vale per l'organo di contatto posteriore 18, che comprende anch'esso una sfera di gomma 24 (figura 2) e un sensore di pressione (non illustrato) per misurare la pressione applicata alla sfera di gomma 24.

Con riferimento in particolare alla figura 3, le molle a lamina 14 sono conformate e montate simmetricamente sulla base del piede 12 rispetto a un asse longitudinale x del piede 10. Ciascuna molla a lamina 14 comprende una porzione posteriore 14a rigidamente collegata alla base del piede 12, una porzione anteriore 14b sporgente da un bordo anteriore 12a della base del piede 12 e una porzione intermedia 14c interposta tfa la porzione posteriore 14a e la porzione anteriore 14b. Gli organi di contatto anteriori 16 sono montati sulle porzioni anteriori 14b delle rispettive molle a lamina 14. Come schematicamente illustrato in figura 8, la porzione intermedia 14c si estende al di sopra di una superficie piana superiore 12b della base del piede 12 e non è collegata alla base del piede 12 in modo da essere libera di deformarsi, insieme alla porzione anteriore 14b, a seguito dell'applicazione di una forza esterna F sulla rispettiva molla a lamina 14. Le molle a lamina 14 sono deformabili indipendentemente 1'una dall'altra, il che è particolarmente utile quando il piede è posto su livelli di superficie diversi. Le molle a lamina 14 sono realizzate per esempio in titanio, ma naturalmente possono essere realizzate in qualsiasi altro materiale adatto.

La rigidezza K della molla a lamina 14 è data da

Ewt<3>

(1) 4/<3>

dove E è il modulo di Young del materiale della molla, w è la larghezza della molla, t è lo spessore della molla e 1 è la lunghezza della porzione a sbalzo della molla (misurata dal punto di applicazione della forza esterna F), di seguito indicata semplicemente come "lunghezza della molla".

Il piede 10 comprende inoltre un dispositivo di regolazione della rigidezza, complessivamente indicato con 26, per regolare attivamente la rigidezza K delle molle a lamina 14 variando la lunghezza della molla 1.

Il dispositivo di regolazione della rigidezza 26 comprende innanzitutto un gruppo di rulli 28 che è tenuto a contatto con le molle a lamina 14, in particolare con la porzione intermedia 14c delle stesse, in modo da premere le molle a lamina 14 contro la superficie piana superiore 12b della base del piede 12. Il gruppo di rulli 28 è liberamente girevole intorno a un asse di rotazione y che si estende in direzione trasversale, cioè in una direzione orizzontale perpendicolare all'asse longitudinale x. Inoltre, il gruppo di rulli 28 è mobile in direzione longitudinale x rispetto alle molle a lamina 14 in modo da variare il punto di contatto P fra il gruppo di rulli 28 e le molle a lamina 14. A tal fine, il gruppo di rulli 28 è guidato alle sue porzioni di estremità da una coppia di organi di guida 32 montati sulla base del piede 12 (figura 4). Quando il gruppo di rulli 28, e quindi il suo punto di contatto P con le molle a lamina 14, si muove in direzione longitudinale x, varia la lunghezza 1 della porzione a sbalzo delle molle a lamina 14, ottenendo in tal modo una variazione della rigidezza K delle molle a lamina 14 secondo l'equazione (1). Indicando con s la posizione longitudinale del punto di contatto P, con s = 0 quando la lunghezza della molla 1 raggiunge il suo valore massimo L e s = s^xquando la lunghezza della molla 1 raggiunge il suo valore minimo (vedasi figura 3), la lunghezza della molla 1 è data da;

l(s) = L - s. (2) Il dispositivo di regolazione della rigidezza 26 comprende inoltre un gruppo di azionamento 34 predisposta per controllare il movimento del gruppo di rulli 28 nella direzione longitudinale x. Nella forma di realizzazione proposta, il gruppo di azionamento 34 comprende un attuatore rotante 36, ad esempio un motore elettrico, e un manovellismo predisposto per convertire il movimento rotatorio generato dall'attuatore rotante 36 intorno a un asse di rotazione yl parallelo all'asse di rotazione y del gruppo di rulli 28 in movimento traslatorio del gruppo di rulli 28 lungo 1'asse longitudinale x. Il manovellismo comprende ad esempio una coppia di manovelle 38 atte a essere comandate in rotazione dall'attuatore rotante 36 intorno all'asse di rotazione yl e una coppia di bielle 40, ciascuna delle quali è incernierata a una sua prima estremità a una rispettiva manovella 38 e all'estremità opposta al gruppo di rulli 28.

Preferibilmente, le molle a lamina 14 sono conformate in modo tale che la loro larghezza nel punto di contatto P non rimane costante, ma varia, quando il punto di contatto P si muove nella direzione longitudinale x a seguito del movimento del gruppo di rulli 28 controllato dal gruppo di azionamento 34. In tale caso, quindi, la rigidezza K delle molle a lamina 14 varia con la posizione longitudinale s del punto di contatto P non solo perché la lunghezza della molla 1 varia, ma anche perché la larghezza della molla w varia. Nella forma di realizzazione proposta, ciascuna molla a lamina 14 presenta una forma a trapezio isoscele nella porzione in cui il punto di contatto P si muove, per cui la larghezza della molla w varia linearmente con la posizione longitudinale s del punto di contatto P tra un valore massimo vi e un valore minimo v2secondo la seguente equazione:

w(j)= w2+ s (3) s

In questo caso, quindi, la rigidezza K di ciascuna molla a lamina 14 varia con la posizione longitudinale s del punto di contatto P come segue:

E w2

max

K(s) = — (4)

4(L-,)<3>

Poiché la larghezza della molla w aumenta con la posizione longitudinale s del punto di contatto P, il tasso di aumento della rigidezza K è maggiore rispetto al caso in cui la larghezza della molla rimane costante. Si ottiene così una più ampia gamma di valori di rigidezza rispetto al caso in cui la larghezza della molla è costante.

Naturalmente, possono essere previste altre forme di molle a lamina 14, e quindi altre leggi di variazione della rigidezza K in funzione della posizione longitudinale s del punto di contatto P.

Con riferimento ora alle figure dalla 5 alla 7, verrà descritta in dettaglio la struttura del gruppo di rulli 28. Secondo la forma di realizzazione proposta, il gruppo di rulli 28 comprende tre elementi rotanti, e cioè due elementi esterni 42 e un elemento centrale 44, che sono girevoli indipendentemente l'uno dall'altro intorno all'asse di rotazione y. Fornire elementi rotanti separati (nel presente caso tre elementi) che ruotano in modo indipendente l'uno dall'altro intorno allo stesso asse di rotazione consente di minimizzare le coppie di attrito agenti sul gruppo di rulli 28. Preferibilmente, i due elementi esterni 42 hanno ciascuno un corpo cilindrico 42a la cui superficie laterale è a contatto con una rispettiva molla a lamina 14 e un albero 42b che sporge assialmente dal corpo cilindrico 42a. I due elementi esterni 42 sono disposti con i loro alberi 42b rivolti l'uno verso l'altro, cioè rivolti verso il centro del gruppo di rulli 28. L'elemento centrale 44 è realizzato come corpo cilindrico cavo che è supportato a rotazione sugli alberi 42b dei due elementi esterni 42 ed è a contatto con la sua superficie laterale su entrambe le molle a lamina 14. L'elemento centrale 44 presenta una scanalatura circonferenziale 46 che si estende per tutta la superficie laterale di tale elemento. Nella scanalatura 46 s'impegna una sporgenza 48, che è formata dalla base del piede 12 e si estende lungo l'asse longitudinale x per vincolare meccanicamente il gruppo di rulli 28 a muoversi lungo questo asse. Come si può vedere in particolare nella figura 6, le bielle 40 del manovellismo del dispositivo di regolazione della rigidezza 26 sono incernierate agli alberi 42b dei due elementi esterni 42 del gruppo di rulli 28. Il gruppo di rulli 28 comprende inoltre una coppia di cedenti 50 che sono montati in modo girevole alle estremità esterne dei due elementi esterni 42 e s'impegnano ciascuno con un rispettivo organo di guida 32 per garantire che i tre elementi rotanti 42 e 44 del gruppo di rulli 28 siano mantenuti a contatto con le molle a lamina 14.

Come risulta dalla descrizione precedente, la presente invenzione fornisce un meccanismo semplice e compatto per variare in modo attivo la rigidezza di un organo flessibile realizzato come molla a lamina. Grazie alle sue piccole dimensioni, tale meccanismo è particolarmente adatto per essere utilizzato su un piede di robot antropomorfo per variare attivamente la rigidezza di almeno una molla a lamina, preferibilmente una coppia di molle a lamina, agendo come dito flessibile del piede. Realizzare un piede di robot antropomorfo con un tale meccanismo consente di variare la rigidezza delle dita flessibili a seconda per esempio delle caratteristiche del terreno e quindi di migliorare la capacità del robot di camminare su terreni irregolari.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di realizzazione e i particolari costruttivi potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto e illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo fuoriuscire dall'ambito dell'invenzione come definito nelle annesse rivendicazioni.

Claims

RIVENDICAZ IONI 1. Meccanismo di variazione attiva della rigidezza per variare attivamente la rigidezza (K) di almeno un organo flessibile (14), in particolare almeno un dito flessibile di un piede di robot antropomorfo (10), il meccanismo comprendendo una base di supporto (12), almeno una molla a lamina (14) fungente da organo flessibile, 1'almeno una molla a lamina (14) avendo una porzione posteriore (14a) rigidamente collegata a una superficie piana (12b) della base di supporto (12), una porzione anteriore (14b ) sporgente dalla base di supporto (12) e una porzione intermedia (14c) che non è rigidamente collegata alla base di supporto (12) ed è quindi liberamente deformabile, insieme alla porzione anteriore (14b), a seguito dell'applicazione di una forza esterna sulla porzione anteriore (14b), e un dispositivo di regolazione della rigidezza (26) comprendente un gruppo di rulli (28), che viene tenuto a contatto con la porzione intermedia (14c) di detta almeno una molla a lamina (14) ed è mobile rispetto a detta almeno una molla a lamina (14) lungo un asse longitudinale (x) di detta alme no una molla a lamina (14), e un gruppo di azionamento (34) predisposto per spostare il gruppo di rulli (28), e quindi il punto di contatto (P) del gruppo di rulli (28) con detta almeno una molla a lamina (14), variando così la lunghezza (1) della porzione a sbalzo di detta almeno una molla a lamina (14), e quindi la rigidezza (K) di detta almeno una molla a lamina (14).
2. Meccanismo secondo la rivendicazione 1, in cui la porzione intermedia (14c) di detta almeno una molla a lamina (14) è sagomata in modo che la sua larghezza (w) nel punto di contatto (P) con il gruppo di rulli (28) vari a seconda della posizione (s) del gruppo di rulli (28).
3. Meccanismo secondo la rivendicazione 2, in cui la larghezza (w) della porzione intermedia (14c) di detta almeno una molla a lamina (14) nel punto di contatto (P) con il gruppo di rulli (28) varia linearmente con la posizione (s) del gruppo di rulli (28).
4. Meccanismo secondo la rivendicazione 2 o la rivendicazione 3, in cui la larghezza (w) della porzione intermedia (14c) di detta almeno una molla a lamina (14) nel punto di contatto (P) con il gruppo di rulli (28) aumenta al diminuire della distanza del punto di contatto (P) della porzione anteriore (14b) di detta almeno una molla a lamina (14).
5. Meccanismo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre organi di guida (32) che impegnano porzioni di estremità (50) del gruppo di rulli (28) per guidare il gruppo di rulli (28) lungo detto asse longitudinale (x) e mantenere il gruppo di rulli (28) a contatto con la porzione intermedia (14c) di detta almeno una molla a lamina (14).
6. Meccanismo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il gruppo di rulli (28) è liberamente girevole intorno a un asse di rotazione (y) che si estende perpendicolarmente a detto asse longitudinale (x).
7. Meccanismo secondo la rivendicazione 6, in cui il gruppo di rulli (28) comprende una pluralità di elementi girevoli (42, 44) che sono girevoli indipendentemente l'uno dall'altro intorno a detto asse di rotazione (y).
8. Meccanismo secondo la rivendicazione 6 o la rivendicazione 7, in cui il gruppo di azionamento (34) comprende un attuatore rotante (36) e un manovellismo (38, 40) atto a convertire il movimento rotatorio generato dall'attuatore rotante (36) intorno a un asse di rotazione (yl) parallelo all'asse di rotazione (y) del gruppo di rulli (28) in movimento traslatorio del gruppo di rulli (28) lungo detto asse longitudinale (x).
9. Piede di robot antropomorfo (10) comprendente un meccanismo di variazione attiva della rigidezza secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la base di supporto (12) del meccanismo funge da base del piede e in cui il meccanismo comprende due molle a lamina (14) fungenti da dita flessibili del piede (10).
10. Piede secondo la rivendicazione 9, comprendente inoltre una coppia di organi di contatto a terra anteriori (16), ciascuno dei quali è montato sulla porzione anteriore (14b) di una rispettiva molla a lamina (14), e un organo di contatto a terra posteriore (18) montato sull'estremità posteriore della base del piede (12).
11. Piede secondo la rivendicazione 10, in cui ciascuno di detti organi di contatto a terra anteriore e posteriore (16, 18) comprende una sfera di gomma (20, 24) e un sensore di pressione (22) atto a misurare la pressione applicata alla sfera di gomma (20, 24).