ITUB20156899A1 - Mechanical joint with variable softness - Google Patents
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Description
Descrizione dell' invenzione industriale dal titolo ''Giunto meccanico a cedevolezza variabile" Description of the industrial invention entitled "Mechanical joint with variable compliance"
DESCRIZIONE DESCRIPTION
Ambito dell' invenzione Scope of the invention
La presente invenzione riguarda l'ambito dei sistemi robotici che interagiscono con l'uomo. The present invention relates to the field of robotic systems that interact with humans.
In particolare, l'invenzione riguarda un giunto meccanico avente cedevolezza meccanica regolabile. In particular, the invention relates to a mechanical joint having adjustable mechanical compliance.
Descrizione della tecnica nota Description of the prior art
Come noto, recentemente si è reso indispensabile realizzare giunti in grado di esibire una certa cedevolezza meccanica in applicazioni in cui i sistemi robotici interagiscono con l'uomo. As is known, it has recently become essential to produce joints capable of exhibiting a certain mechanical compliance in applications in which robotic systems interact with humans.
Infatti, rispetto ai giunti rigidi, i giunti a cedevolezza meccanica offrono i seguenti vantaggi: In fact, compared to rigid couplings, couplings with mechanical compliance offer the following advantages:
— ridurre la severità delle sollecitazioni sulla trasmissione, in quanto parte dell'energia cinetica dell'impatto si trasforma in energia potenziale accumulata dal giunto (ad esempio, come energia potenziale elastica) ; - reduce the severity of the stresses on the transmission, as part of the kinetic energy of the impact is transformed into potential energy accumulated by the joint (for example, as elastic potential energy);
— aumentare la sicurezza dell'interazione uomomacchina riducendo i danni causati dalla collisione del meccanismo con operatori umani, -— ridurre l'esigenza di elevatissima precisione nella definizione di traiettorie percorse dai bracci robotici. - increase the safety of human-machine interaction by reducing the damage caused by the collision of the mechanism with human operators, - reduce the need for very high precision in defining the trajectories traveled by the robotic arms.
Il metodo più semplice per realizzare un giunto cedevole è quello di interporre un elemento elastico passivo in serie tra motore e carico (SEA, Series Elastic Actuator) . Tale sistema è di semplice realizzazione ma presenta una versatilità limitata, in quanto l'ampiezza dei regimi di carico supportabile è vincolata dalla rigidezza dell'elemento elastico posto in serie al motore. The simplest method to make a yielding joint is to interpose a passive elastic element in series between the motor and the load (SEA, Series Elastic Actuator). This system is simple to implement but has limited versatility, since the amplitude of the load regimes that can be supported is constrained by the rigidity of the elastic element placed in series with the engine.
Per superare tale limitazione, sono stati introdotti i cosiddetti VSA {Variable Stiffness Actuator) , i quali presentano un elemento elastico di rigidezza variabile interposto tra motore e carico dotato. La rigidezza è resa variabile da un meccanismo di attuazione secondario che modifica la configurazione dell'elemento elastico cambiandone ad esempio il precarico o la forma (e quindi la sua rigidezza) . Questi sistemi, adeguatamente controllati, risultano ad oggi i più performanti e vengono usati nell'ambito della robotica umanoide, della riabilitazione e anche in ambito industriale. Il controllo continuo della rigidezza è tuttavia piuttosto complesso in questi sistemi, i quali presentano ancora limiti riguardanti peso e dimensioni , To overcome this limitation, the so-called VSA (Variable Stiffness Actuator) have been introduced, which have an elastic element of variable stiffness interposed between the motor and the equipped load. The stiffness is made variable by a secondary actuation mechanism which modifies the configuration of the elastic element by changing, for example, its preload or shape (and therefore its stiffness). These systems, adequately controlled, are today the most performing and are used in the field of humanoid robotics, rehabilitation and also in the industrial field. The continuous control of the stiffness is however rather complex in these systems, which still have limits regarding weight and dimensions,
Inoltre, in tali settori risulta essenziale simulare l'effettiva cedevolezza del giunto biologico, restituendo a livello visivo e di tatto un'impressione più naturale sia all'utilizzatore che all'osservatore esterno, migliorandone di fatto la cosmesi: tale elemento risulta cruciale in quanto va ad incidere sulle statistiche di accettazione dell'arto prostetico da parte dell'amputato. Furthermore, in these sectors it is essential to simulate the actual compliance of the biological joint, restoring a more natural impression on a visual and tactile level both to the user and to the external observer, actually improving the cosmetics: this element is crucial as it affects the statistics of acceptance of the prosthetic limb by the amputee.
Sintesi dell'invenzione Summary of the invention
È quindi scopo della presente invenzione fornire un giunto meccanico rotoidale che permetta di simulare in maniera fedele la reale cedevolezza del giunto biologico. It is therefore an object of the present invention to provide a rotoidal mechanical joint which allows the real compliance of the biological joint to be faithfully simulated.
È ancora scopo della presente invenzione fornire un tale giunto meccanico rotoidale che abbia ingombri e pesi ridotti rispetto alla tecnica nota. Another object of the present invention is to provide such a rotoidal mechanical joint which has reduced dimensions and weight with respect to the known art.
È un ulteriore scopo della presente invenzione fornire un tale giunto meccanico rotoidale che comprenda componenti di economica realizzazione e manutenzione. It is a further object of the present invention to provide such a rotoidal mechanical joint which includes components which can be economically manufactured and maintained.
Questi ed altri scopi sono realizzati da un giunto rotoidale atto ad attribuire cedevolezza alla trasmissione di un moto rotatorio tra un'entrata, atta a compiere una rotazione avente accelerazione angolare ω attorno ad un asse longitudinale y, ed un'uscita, atta a compiere una rotazione avente accelerazione angolare ϋ attorno al medesimo asse longitudinale y, detto giunto rotoidale comprendendo un anello di trasmissione atto a compiere una rotazione avente accelerazione angolare φ attorno all'asse longitudinale y, detto anello di trasmissione essendo elasticamente connesso all'uscita mediante un vincolo cedevole atto a realizzare la condizione ϋ = ktp , These and other objects are achieved by a rotoidal joint suitable for attributing compliance to the transmission of a rotary motion between an inlet, capable of performing a rotation having angular acceleration ω around a longitudinal axis y, and an outlet, capable of performing a rotation having angular acceleration ϋ around the same longitudinal axis y, said rotoidal joint comprising a transmission ring adapted to perform a rotation having angular acceleration φ around the longitudinal axis y, said transmission ring being elastically connected to the output by means of a yielding constraint suitable for realizing the condition ϋ = ktp,
la cui caratteristica principale è che il vincolo cedevole comprende : whose main feature is that the yielding bond includes:
- almeno un perno connesso all'anello di trasmissione e decentrato rispetto all'asse longitudinale y, detto o ciascun perno avendo un asse di rotazione x e comprendendo una porzione fissa solidale all'anello di trasmissione ed una porzione mobile atta a ruotare attorno a detto asse di rotazione x rispetto alla porzione fissa; — una molla laminare coassiale rispetto all'anello di trasmissione; - at least one pin connected to the transmission ring and off-center with respect to the longitudinal axis y, said or each pin having an axis of rotation x and comprising a fixed portion integral with the transmission ring and a movable portion able to rotate around said axis of rotation x with respect to the fixed portion; - a laminar spring coaxial with respect to the transmission ring;
detta molla laminare comprendendo; said laminar spring comprising;
- una porzione rigida solidalmente connessa all'uscita e atta ad effettuare una rotazione avente accelerazione angolare ΰ attorno all'asse longitudinale y; - a rigid portion integrally connected to the outlet and able to effect a rotation having angular acceleration ΰ around the longitudinal axis y;
- almeno un ramo elastico comprendente; - at least one elastic branch comprising;
- un'estremità radicale solidalmente connessa alla porzione rigida; - a radical end integrally connected to the rigid portion;
un'estremità cedevole atta a deformarsi elasticamente; a yielding end capable of elastically deforming;
— una parete interna su cui è atta a scorrere la porzione mobile per effetto dell'accelerazione - an internal wall on which the movable portion is able to slide due to acceleration
indetta molla laminare essendo configurata in modo tale che, quando l'accelerazione φ provoca lo scorrimento della porzione mobile sulla parete interna, l'estremità cedevole si deforma e l'estremità radicale trasmette alla porzione rigida, e quindi all'uscita, una acceleraz ione ϋ = ktp, said laminar spring being configured in such a way that, when the acceleration φ causes the sliding of the mobile portion on the inner wall, the yielding end deforms and the radical end transmits an acceleration to the rigid portion, and therefore to the outlet ϋ = ktp,
Tale soluzione realizzai iva del vincolo cedevole risulta estremamente vantaggiosa in quanto la molla laminare utilizzata occupa un volume estremamente ridotto ed ha la possibilità, semplicemente variando la forma geometrica, di modificare la costante elastica che attribuisce cedevolezza al giunto. This solution realizing the yielding constraint is extremely advantageous since the laminar spring used occupies an extremely reduced volume and has the possibility, simply by varying the geometric shape, to modify the elastic constant which gives yieldability to the joint.
Un altro vantaggio risiede nella geometria 2D della molla laminare che permette di poterla realizzare con tecniche di fabbricazione economiche (ad es, taglio laser). Another advantage lies in the 2D geometry of the laminar spring which allows it to be made with economical manufacturing techniques (e.g. laser cutting).
Vantaggiosamente, la molla laminare comprende almeno due rami elastici tra loro connessi in prossimità delle rispettive estremità cedevoli, in modo da rendere più fluido lo scorrimento della porzione mobile sulla parete interna nel passaggio tra un primo ed un secondo ramo elastico . Advantageously, the laminar spring comprises at least two elastic branches connected to each other in proximity to the respective yielding ends, so as to make the sliding of the mobile portion on the internal wall more fluid in the passage between a first and a second elastic branch.
Inoltre, in questa forma realizzativa la rigidezza della molla viene aumentata rispetto alla soluzione con due rami elastici separati . Furthermore, in this embodiment the stiffness of the spring is increased with respect to the solution with two separate elastic branches.
Vantaggiosamente, tra l' estremità radicale e l' estremità cedevole, detto o ciascun ramo elastico comprende un' apertura allungata atta a modificare la rigidezza della molla laminare, in particolare dando a detto o ciascun ramo elastico una rigidezza sostanzialmente costante in direzione longitudinale . Advantageously, between the radical end and the yielding end, said or each elastic branch comprises an elongated opening adapted to modify the stiffness of the laminar spring, in particular giving said or each elastic branch a substantially constant stiffness in the longitudinal direction.
In particolare, modificando la forma e le dimensioni dell' apertura allungata è possibile variare la rigidezza delle varie sezioni del ramo elastico rendendo la molla laminare adattabile a differenti utilizzi . In particular, by modifying the shape and dimensions of the elongated opening it is possible to vary the stiffness of the various sections of the elastic branch making the laminar spring adaptable to different uses.
In particolare, l' entrata comprende un attuatore atto a trasmettere l' accelerazione ω alla piastra motrice . In particular, the input comprises an actuator adapted to transmit the acceleration ω to the driving plate.
In particolare, 1' attuatore è atto a trasmettere l' accelerazione ω alla piastra motrice mediante un sistema di trasmissione comprendente due pulegge e una cinghia. In particular, the actuator is able to transmit the acceleration ω to the driving plate by means of a transmission system comprising two pulleys and a belt.
Breve descrizione dei disegni Brief description of the drawings
Ulteriori caratteristiche e/o vantaggi della presente invenzione risulteranno più chiari con la descrizione che segue di una sua forma realizzativa, fatta a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni annessi in cui: Further characteristics and / or advantages of the present invention will become clearer with the following description of an embodiment thereof, given by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings in which:
— la figura 1 mostra un esploso prospettico di una forma realizzativa del giunto rotoidale, secondo la presente invenzione; - figure 1 shows a perspective exploded view of an embodiment of the rotoidal joint, according to the present invention;
— la figura 2 mostra un esploso prospettico del perno presente nel vincolo cedevole; Figure 2 shows a perspective exploded view of the pin present in the yielding constraint;
— la figura 3 mostra in pianta una prima forma realizzativa della molla laminare presente nel vincolo cedevole; Figure 3 shows in plan a first embodiment of the laminar spring present in the yielding constraint;
— la figura 3A mostra in pianta la molla laminare di figura 3, durante la deformazione; Figure 3A shows a plan view of the laminar spring of Figure 3, during deformation;
— la figura 4A mostra in pianta una seconda forma realizzativa della molla laminare; Figure 4A shows a plan view of a second embodiment of the laminar spring;
— la figura 4B mostra in pianta una seconda forma realizzativa della molla laminare; Figure 4B shows a plan view of a second embodiment of the laminar spring;
— la figura 5 mostra una possibile forma realizzativa del giunto rotoidale in cui l'entrata comprende un attuatore. Figure 5 shows a possible embodiment of the rotational joint in which the inlet comprises an actuator.
Descrizione di alcune forme realizzative preferite In figura 1 è mostrata una prima forma realizzativa del giunto rotoidale 100 atto ad attribuire cedevolezza alla trasmissione di un moto rotatorio tra un'entrata, atta a compiere una rotazione avente accelerazione angolare ω attorno ad un asse longitudinale y, ed un'uscita 190, atta a compiere una rotazione avente accelerazione angolare ϋ attorno all'asse longitudinale y. Description of some preferred embodiments Figure 1 shows a first embodiment of the rotoidal joint 100 suitable for attributing compliance to the transmission of a rotary motion between an inlet, suitable for performing a rotation having angular acceleration ω around a longitudinal axis y, and an output 190, adapted to perform a rotation having angular acceleration ϋ around the longitudinal axis y.
Il giunto rotoidale 100 comprende un anello di trasmissione 121 atto a compiere una rotazione avente accelerazione angolare ψ attorno all'asse longitudinale y . L'anello di trasmissione 121 è elasticamente connesso all'uscita 190 mediante un vincolo cedevole atto a realizzare la condizione ϋ = ktp. L'anello di trasmissione 121 è inoltre vincolato in direzione assiale mediante il cuscinetto 180. The rotoidal joint 100 comprises a transmission ring 121 adapted to perform a rotation having angular acceleration ψ around the longitudinal axis y. The transmission ring 121 is elastically connected to the output 190 by means of a yielding constraint suitable for realizing the condition ϋ = ktp. The transmission ring 121 is further constrained in the axial direction by the bearing 180.
In particolare, con riferimento anche alla figura 2, il vincolo cedevole comprende due perni 125 connessi all'anello di trasmissione 121, ciascuno dei quali è decentrato rispetto all'asse longitudinale y ed ha un asse di rotazione x. Ciascun perno 125 comprende inoltre una porzione fissa 125a solidale all'anello di trasmissione 121 ed una porzione mobile 125b atta a ruotare attorno all'asse di rotazione x rispetto alla porzione fissa 125a. In particular, with reference also to Figure 2, the yielding constraint comprises two pins 125 connected to the transmission ring 121, each of which is off-center with respect to the longitudinal axis y and has an axis of rotation x. Each pin 125 further comprises a fixed portion 125a integral with the transmission ring 121 and a movable portion 125b able to rotate around the axis of rotation x with respect to the fixed portion 125a.
Con riferimento anche alla figura 3, il vincolo cedevole comprende inoltre una molla laminare 170 coassiale rispetto all'anello di trasmissione 121. La molla laminare 170 comprende: With reference also to Figure 3, the yielding constraint further comprises a laminar spring 170 coaxial with respect to the transmission ring 121. The laminar spring 170 comprises:
— una porzione rigida 175 solidalmente connessa all'uscita 190 e atta ad effettuare una rotazione avente accelerazione angolare ϋ attorno all'asse longitudinale y; - a rigid portion 175 integrally connected to the outlet 190 and able to effect a rotation having angular acceleration ϋ around the longitudinal axis y;
- 4 rami elastici 176, ciascuno dei quali comprende : - 4 elastic branches 176, each of which includes:
— un'estremità radicale 176a solidalmente connessa alla porzione rigida 175; - a radical end 176a integrally connected to the rigid portion 175;
- un'estremità cedevole 17 6b atta a deformarsi elasticamente; - a yielding end 17 6b able to deform elastically;
- una parete interna 176c su cui è atta a scorrere la porzione mobile 125b per effetto di detta accelerazione φ . - an internal wall 176c on which the movable portion 125b is able to slide due to the effect of said acceleration φ.
In particolare, la molla laminare 170 è configurata in modo tale che, quando l'accelerazione φ provoca lo scorrimento della porzione mobile 125b sulla parete interna 176c, l'estremità cedevole 176b si deforma e l'estremità radicale 176a trasmette alla porzione rigida 175, e quindi all'uscita 190, una accelerazione ϋ = ktp . In particular, the laminar spring 170 is configured in such a way that, when the acceleration φ causes the sliding of the movable portion 125b on the inner wall 176c, the yielding end 176b deforms and the radical end 176a transmits to the rigid portion 175, and therefore at the output 190, an acceleration ϋ = ktp.
Tale soluzione realizzativa del vincolo cedevole risulta estremamente vantaggiosa in quanto la molla laminare 170 utilizzata occupa un volume estremamente ridotto ed ha la possibilità, semplicemente variando la forma geometrica, di modificare la costante elastica che attribuisce cedevolezza al giunto. This embodiment of the yielding constraint is extremely advantageous in that the laminar spring 170 used occupies an extremely small volume and has the possibility, simply by varying the geometric shape, to modify the elastic constant which gives yieldability to the joint.
Un altro vantaggio risiede nella geometria 2D della molla laminare che permette di poterla realizzare con tecniche di fabbricazione economiche ad es. taglio laser. Another advantage lies in the 2D geometry of the laminar spring which allows it to be made with economical manufacturing techniques, for example. laser cut.
Inoltre, rispetto a soluzioni di tecnica nota quali ad esempio una molla torsuonale, la molla laminare della presente invenzione può essere dimensionata in modo tale da garantire una reazione elastica non dipendente dalla posizione angolare relativa tra entrata ed uscita 190, fornendo al giunto rotoidale una cedevolezza costante e predefinita durante la rotazione. Furthermore, with respect to prior art solutions such as for example a torsonic spring, the laminar spring of the present invention can be sized in such a way as to ensure an elastic reaction that is not dependent on the relative angular position between inlet and outlet 190, providing the rotoidal joint with a compliance constant and predefined during rotation.
In figura 4 è mostrata una variante realizzativa della molla 170 in cui i rami elastici 176 connessi a due a due in prossimità delle rispettive estremità cedevoli 176b. Figure 4 shows a variant embodiment of the spring 170 in which the elastic branches 176 are connected two by two near the respective yielding ends 176b.
Tale forma realizzativa rende più fluido lo scorrimento della porzione mobile 125b sulla parete interna 176c nel passaggio tra un primo ed un secondo ramo elastico 176, durante la rotazione dell'anello di trasmissione 121. Inoltre, in questa forma realizzativa la rigidezza della molla 170, a parità di sezione e materiale della molla laminare, viene aumentata rispetto alla soluzione con due rami 176 separati. This embodiment makes the sliding of the movable portion 125b on the inner wall 176c more fluid in the passage between a first and a second elastic branch 176, during the rotation of the transmission ring 121. Furthermore, in this embodiment the stiffness of the spring 170, with the same section and material of the laminar spring, it is increased with respect to the solution with two separate branches 176.
In figura 4B è mostrata una variante realizzativa della molla 170 in cui tra l'estremità radicale 176a e l'estremità cedevole 176b, ciascun ramo elastico 176 comprende un'apertura allungata 176d atta a rendere costante la rigidezza del ramo elastico 176 lungo la sua estensione longitudinale. In tal modo la cedevolezza della molla laminare 170 risulta essere sostanzialmente indipendente dalla posizione del perno 125 e dunque dalla posizione angolare relativa tra entrata ed uscita 190. Figure 4B shows a variant embodiment of the spring 170 in which between the radical end 176a and the yielding end 176b, each elastic branch 176 comprises an elongated opening 176d adapted to make the stiffness of the elastic branch 176 constant along its extension longitudinal. In this way the compliance of the laminar spring 170 is substantially independent of the position of the pin 125 and therefore of the relative angular position between inlet and outlet 190.
Inoltre, modificando la forma e le dimensioni dell'apertura 176d è possibile variare la rigidezza delle varie sezioni del ramo elastico 176 rendendo la molla laminare 170 adattabile a differenti utilizzi. Furthermore, by modifying the shape and the dimensions of the opening 176d it is possible to vary the stiffness of the various sections of the elastic branch 176 making the laminar spring 170 adaptable to different uses.
Con riferimento alla figura 5, in una possibile forma realizzativa, l'entrata comprende un attuatore 200 atto a trasmettere l'accelerazione ω all'anello di trasmissione 121 mediante un sistema di trasmissione comprendente due pulegge 310,330 e una cinghia 320. With reference to Figure 5, in a possible embodiment, the inlet comprises an actuator 200 adapted to transmit the acceleration ω to the transmission ring 121 by means of a transmission system comprising two pulleys 310,330 and a belt 320.
La descrizione di cui sopra di alcune forme realizzative specifiche è in grado di mostrare l'invenzione dal punto di vista concettuale in modo che altri, utilizzando la tecnica nota, potranno modificare e/o adattare in varie applicazioni tale forma realizzativa specifica senza ulteriori ricerche e senza allontanarsi dal concetto inventivo, e, quindi, si intende che tali adattamenti e modifiche saranno considerabili come equivalenti della forma realizzativa specifica. I mezzi e i materiali per realizzare le varie funzioni descritte potranno essere di varia natura senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione. Si intende che le espressioni o la terminologia utilizzate hanno scopo puramente descrittivo e per questo non limitativo. The above description of some specific embodiments is able to show the invention from the conceptual point of view so that others, using the known technique, will be able to modify and / or adapt this specific embodiment in various applications without further research and without departing from the inventive concept, and, therefore, it is understood that such adaptations and modifications will be considered as equivalent to the specific embodiment. The means and materials for carrying out the various functions described may be of various nature without thereby departing from the scope of the invention. It is understood that the expressions or terminology used have a purely descriptive purpose and therefore not limitative.
Claims (5)
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| ITUB2015A006899A ITUB20156899A1 (en) | 2015-12-10 | 2015-12-10 | Mechanical joint with variable softness |
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Patent Citations (6)
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