IT201900007848A1

IT201900007848A1 - Dispositivo di compensazione di carichi, in particolare di carichi gravitazionali, applicabile ad esoscheletri

Info

Publication number: IT201900007848A1
Application number: IT102019000007848A
Authority: IT
Inventors: Lorenzo Aquilante; Mattia Tabaglio; Daniele Ramirez; Francesco Braghin; Alessandra Laura Giulia Pedrocchi; Marta Gandolla; Gasperina Stefano Dalla
Original assignee: Milano Politecnico
Priority date: 2019-06-03
Filing date: 2019-06-03
Publication date: 2020-12-03
Also published as: JP7525519B2; EP3975968B1; EP3975968C0; HUE063304T2; WO2020245038A1; BR112021024250A2; EP3975968B8; US12396912B2; CN114144150B; MX2021014846A; EP3975968A1; ES2955334T3; CN114144150A; JP2022535076A; HRP20231005T1; PL3975968T3; CA3142550A1; US20220218552A1

Description

DESCRIZIONE

Campo tecnico

La presente invenzione si riferisce a un dispositivo di compensazione di carichi, in particolare per la compensazione di carichi gravitazionali. In un’applicazione preferita e non limitativa, la presente invenzione si riferisce anche a un relativo esoscheletro.

In generale, la presente invenzione trova applicazioni non limitative nel campo degli apparati di manipolazione e nel campo degli apparati per l’esercizio fisico o riabilitativo.

Arte nota

Negli ultimi anni, gli esoscheletri hanno trovato molteplici applicazioni, legate principalmente all’ambito biomedicale e a quello industriale.

Nell’ambito biomedicale, gli esoscheletri sono progettati per aumentare le capacità fisiche e motorie dell’individuo, compensando tra l’altro l’effetto della forza di gravità diminuendo quindi lo sforzo fisico e la fatica dell’individuo. In particolare, nell’ambito bio medicale gli esoscheletri sono utilizzati nel campo del recupero e assistenza delle funzioni motorie. Il recupero si riferisce alla riabilitazione di un paziente, mentre la “assistenza” al caso puramente di ausilio in cui le capacità motorie di un utente sono compromesse in maniera irreversibile.

Nell’ambito industriale, gli esoscheletri vengono utilizzati principalmente nel settore manifatturiero o edile, nei quali gli operatori sono chiamati ad assumere posture scomode, oppure a spostare o sollevare carichi elevati; inoltre gli esoscheletri vengono utilizzati anche come ausilio per gli operatori sanitari. In generale, in quest’ambito industriale, l’esoscheletro viene progettato per alleviare lo sforzo di una o più parti del corpo.

Negli esoscheletri, la compensazione dei carichi è attuata tramite differenti tecnologie categorizzabili come “passive” o “attive”: la tecnologia di compensazione “passiva” utilizza un insieme di uno o più elementi elastici, che vengono caricati durante il moto e che rilasciano energia di deformazione durante un moto in direzione opposta; la tecnologia di compensazione “attiva” utilizza invece un azionamento motorizzato, tipicamente di tipo elettrico; altre tipologie di azionamenti possono prevedere attuatori piezoelettrici, SMA (“Shape-Memory Alloy” o leghe a memoria di forma), azionamenti pneumatici e polimeri elettroattivi.

La tecnologia di compensazione passiva ha il vantaggio di non richiedere un’alimentazione esterna, permettendo di ottenere esoscheletri più leggeri, compatti ed esenti da elettronica di alimentazione. Infatti, i sistemi di compensazione passivi sono solitamente costituiti da catene cinematiche di elementi elastici, che deformandosi supportano il peso dell’utente.

Tuttavia, esoscheletri con compensazione passiva non possono applicare una compensazione totale dei carichi, ad ogni posizione assunta dallutilizzatore, ma possiedono solo un punto di equilibrio. Inoltre, durante il moto di carico, l’utilizzatore deve produrre della forza per caricare gli elementi elastici.

La tecnologia di compensazione attiva invece richiede un’alimentazione esterna, dell’elettronica e delle logiche di controllo. Svantaggiosamente, i motori degli azionamenti elettrici risultano ingombranti, portando l’esoscheletro ad essere più pesante e meno ergonomico rispetto a quello passivo. Inoltre, nel caso di consumi energetici elevati, l’esoscheletro non può essere efficacemente alimentato con un sistema di batterie leggero e compatto.

Per questi motivi, gli esoscheletri più diffusi sono del tipo a compensazione passiva, sia nel settore industriale che in quello biomedicale.

Esempi di sistemi esoscheletrici e dispositivi di compensazione di carichi gravitazionali di tipo attivo sono forniti nei documenti KR20160071661, EP3278938A1, WO2017161257 e WO2015106278, che descrivono soluzioni che includono attuatori.

Esempi di sistemi esoscheletrici e dispositivi di compensazione di carichi gravitazionali di tipo passivo sono forniti nei documenti KR20 120082221, WO2015147584, CA2952403, US20120184880, CA2544645, WO2018165399A1, EP2861387, che includono elementi elastici, anche di tipo regolabile, proposti in esoscheletri e in dispositivi indossabili da un utente.

Un ulteriore esempio di dispositivo di compensazione di carichi gravitazionali è fornito nel documento EP3342390A1, che si riferisce a un apparato per supportare un arto comprendente elementi di forza passivi collegati a un elemento indossabile, ed elementi attivi di supporto attuati da attuatori a trazione con cavo motorizzato. Anche il dispositivo noto da EP3342390A1, pur realizzando una struttura ibrida tra sistemi attivi e passivi, presenta tuttavia svantaggi e limitazioni di applicazione.

Sintesi dell’invenzione

Scopo della presente invenzione è quello di ovviare a inconvenienti della tecnica nota.

Ulteriore scopo particolare della presente invenzione è quello di presentare un dispositivo che abbia consumi energetici ridotti e possa quindi essere efficacemente alimentato anche con un sistema di batterie portabili.

Ulteriore scopo particolare della presente invenzione è quello di consentire una compensazione variabile di carichi, in particolare di carichi gravitazionali, per ogni posizione assunta dallutilizzatore.

Ulteriore scopo particolare della presente invenzione è quello di presentare un dispositivo che risulti meno ingombrante di quelli totalmente attivi, così da ottenere esoscheletri più leggeri ed ergonomici.

Questi e altri scopi sono raggiunti da un dispositivo di compensazione di carichi ed un relativo esoscheletro secondo le caratteristiche delle allegate rivendicazioni, che formano parte integrante della presente descrizione.

Un’idea alla base della presente invenzione è di prevedere un dispositivo di compensazione di carichi comprendente:

- un giunto assistito configurato per essere vincolato ad una struttura di supporto;

- un’asta principale comprendente un’estremità prossimale connessa al giunto assistito, ed ulteriormente comprendente un’estremità distale configurata per essere sollecitata da un carico applicato;

- un’asta ausiliaria comprendente una prima estremità ed una seconda estremità, la prima estremità essendo incernierata sull’asta principale per una rotazione dell’asta ausiliaria rispetto all’asta principale, e la seconda estremità essendo mobile su un piano su cui giace il carico applicato;

- un elemento elastico configurato per fornire una forza elastica agente tra la seconda estremità dell’asta ausiliaria e l’estremità distale dell’asta principale;

- un sistema di regolazione configurato per modificare una distanza tra la seconda estremità dell’asta ausiliaria e il giunto assistito, così da variare un precarico dell’elemento elastico;

in cui l’elemento elastico è configurato per fornire la forza elastica in base a una configurazione cinematica del dispositivo di compensazione di carichi, così da compensare il carico applicato in una sua componente trasversale all’asta principale.

In breve, il dispositivo di compensazione di carichi secondo la presente invenzione è concepito con l’obiettivo di identificare e compensare completamente, con consumi energetici e ingombri minimi, l’effetto di una forza, per esempio di una forza gravitazionale, agente su un’asta principale che rappresenta il punto di aggancio del dispositivo di compensazione di carichi a una struttura di un sistema in cui esso è inserito, per esempio di un esoscheletro o di un braccio robotico.

Il dispositivo di compensazione di carichi della presente invenzione comprende quindi una struttura meccanica dotata di opportuni sensori e logiche di controllo, in cui un elemento elastico precaricato fornisce la forza di compensazione necessaria.

Vantaggiosamente, la presente invenzione consente di realizzare un dispositivo di compensazione di carichi che realizza una tecnologia ibrida, progettata per applicare una compensazione dei carichi che si adatta ai movimenti di un utilizzatore, garantendo al contempo un’elevata compattezza e bassi consumi energetici.

In particolare, il dispositivo di compensazione di carichi secondo la presente invenzione consente di unire gli aspetti positivi delle tecnologie passiva e attiva, all’interno di un unico dispositivo che può essere scalabile ad ogni tipologia di apparato o esoscheletro.

Il dispositivo di compensazione di carichi secondo la presente invenzione può essere vantaggiosamente anche utilizzato in differenti ambiti, quali per esempio la robotica industriale, i sistemi di sollevamento o movimentazione, per sviluppare apparati più compatti ed energeticamente meno dispendiosi.

Preferibilmente, il dispositivo di compensazione di carichi comprende un elemento di regolazione mobile, associato alla struttura di supporto. In particolare, preferibilmente, l’elemento di regolazione mobile prevede un sistema ad asta di regolazione e attuatore lineare, oppure un sistema a cavo e puleggia motorizzata.

Preferibilmente, l’elemento elastico è almeno indirettamente connesso alla seconda estremità dell’asta ausiliaria. In particolare, preferibilmente, il dispositivo di compensazione di carichi comprende un cavo di compensazione che connette la seconda estremità dell’asta ausiliaria all’elemento elastico, con una puleggia in prossimità dell’estremità distale dell’asta principale.

Il dispositivo di compensazione di carichi, oggetto della presente invenzione, potrebbe essere applicato a uno o più giunti di un esoscheletro o di un braccio robotico, rendendo la soluzione applicata a molteplici gradi di libertà.

Un’ulteriore idea alla base della presente invenzione è quindi di prevedere un esoscheletro comprendente uno o più dispositivi di compensazione di carichi.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione dettagliata fatta qui di seguito, di forme di realizzazione preferite, non limitative, della presente invenzione, e dalle rivendicazioni dipendenti che delineano forme di realizzazione preferite e particolarmente vantaggiose dell’invenzione.

Breve descrizione dei disegni

L’invenzione è illustrata con riferimento alle seguenti figure, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, in cui:

- La Figura 1 illustra un esempio di un arto superiore che regge un oggetto soggetto a un carico indotto dalla forza gravitazionale.

- La Figura 2 illustra un esoscheletro coinvolgente un arto superiore, e comprendente un dispositivo di compensazione di carichi secondo la presente invenzione.

- La Figura 3 illustra una prima forma di realizzazione di un dispositivo di compensazione di carichi secondo la presente invenzione. - La Figura 4 a e la Figura 4b illustrano performance esemplificative di un dispositivo di compensazione di carichi secondo la presente invenzione.

- La Figura 5 illustra una seconda forma di realizzazione di un dispositivo di compensazione di carichi secondo la presente invenzione.

- La Figura 6 illustra una terza forma di realizzazione di un dispositivo di compensazione di carichi secondo la presente invenzione.

- La Figura 7 illustra un esoscheletro coinvolgente bacino e rachide lombare, e comprendente un dispositivo di compensazione di carichi secondo la presente invenzione.

- La Figura 8 illustra una quarta forma di realizzazione di un dispositivo di compensazione di carichi secondo la presente invenzione.

Nelle differenti figure, elementi analoghi saranno identificati da numeri di riferimento analoghi.

Descrizione di dettaglio

In forme di realizzazione preferite, il dispositivo di compensazione di carichi secondo la presente invenzione è utilizzato per compensare l’effetto di carichi gravitazionali in esoscheletri o braccia robotiche. In particolare, la presente invenzione è pertinente ad esoscheletri applicabili a molteplici giunti del corpo umano, come la spalla, l’anca a beneficio del rachide lombare, il ginocchio, o a braccia robotiche. La presente descrizione farà riferimento a questa applicazione non limitativa del dispositivo di compensazione di carichi secondo la presente invenzione.

In questa applicazione esemplificativa, la maggior parte dello sforzo richiesto per svolgere un movimento con gli arti superiori viene impiegato per vincere l’effetto gravitazionale, il quale si può identificare con una coppia agente sul braccio stesso. Di conseguenza, la spalla risulta rarticolazione principalmente stressata. Gli esoscheletri sono dispositivi progettati proprio per alleviare lo sforzo dell’utente che lo indossa, moltiplicandone le capacità di forza. In particolare, il dispositivo di compensazione di carichi secondo la presente invenzione è concepito per essere integrato all’interno di esoscheletri, per arti superiori o anche arti inferiori, in corrispondenza di un giunto di un utente. Applicazioni analoghe si possono effettuare per estensione a braccia robotiche.

La Figura 1 illustra un esempio di un arto superiore 1 che regge un oggetto 11 soggetto a un carico indotto dalla accelerazione gravitazionale “g”.

Il carico “g” agente sull’oggetto 1 1 diventa particolarmente rilevante nel movimento di flesso-estensione della spalla dell’arto 1: questo è il caso del movimento di “pick & place i” che viene effettuato in molti ambiti industriali, come ad esempio in quello della logistica per grandi distribuzioni e del manifatturiero.

L’arto 1 è schematizzabile come composto da tre corpi rigidi denominati 6, 8, 10, e dal carico 11 e da masse 7, 9, 10 e 11 rispettivamente. Le aste 6 e 7 sono collegate tra loro da una cerniera 5 e vincolate a terra tramite una cerniera 3. Questo sistema rappresenta lo schema dell’utilizzatore nel piano verticale. Perciò, la coppia di compensazione applicata al corpo 6 necessaria per compensare l’effetto gravitazionale agente sul sistema causata dall’accelerazione gravitazionale “g” sarà funzione della sua posizione assunta nel piano, identificata dagli angoli 2 e 4, dai valori geometrici delle aste 6 e 8 e dalle masse corrispondenti 7, 9, 10 e 11. L’effetto gravitazionale quindi può essere inteso come una coppia risultante sull’asta 6 causata dalle forze peso agenti nei baricentri dei corpi 6, 7, 10 e 11.

La Figura 2 illustra un esoscheletro 100 coinvolgente l’arto superiore 1, e comprendente un dispositivo di compensazione di carichi 201 secondo la presente invenzione.

Come già descritto, un esempio non limitativo di applicazione della presente invenzione è quello della compensazione di carichi gravitazionali che agiscono su arti superiori durante il moto di flessoestensione della spalla, cioè di rotazione della spalla nel piano verticale, come già illustrato in Figura 1, dove la freccia 2 rappresenta la rotazione della spalla e “g” il vettore gravità. In questo caso, l’esoscheletro 100 è configurato per compensare i carichi gravitazionali che subisce la spalla dell’utente.

L’applicazione del dispositivo di compensazione di carichi 201 all’esoscheletro 100 è esemplificata per realizzare una tecnologia ibrida nel caso di esoscheletri per arti superiori e per attività di “pick & place" Il dispositivo di compensazione di carichi 201 è collegato ad una struttura di supporto 102 sulla quale vengono scaricate le forze. La forza di compensazione viene trasferita dal dispositivo 201 all’arto tramite un bracciolo 103 durante il moto di flesso-estensione della spalla, imposto dall’utente intorno alla cerniera 3. La cintura 104 contiene preferibilmente i componenti elettronici e le batterie di alimentazione di tutte le parti attive, mentre la fascia 105 contiene un sensore per rilevare la rotazione relativa tra braccio e avambraccio.

In generale, il dispositivo di compensazione di carichi è associato, nell’esoscheletro 100, ad una batteria per l’alimentazione del sistema di regolazione che sarà ulteriormente descritto, ad una pluralità di sensori e ad almeno un processore.

In altre forme di realizzazione, il dispositivo di compensazione di carichi potrebbe essere applicato ad un robot o a un apparato di sollevamento (“ lifting apparatus”) o a un apparato per la movimentazione di carichi (“load handling apparatus”), con un giunto assistito configurato per essere vincolato ad una struttura di supporto, in cui vi sia un’asta principale, con l’obiettivo di compensare una componente trasversale di un carico applicato all’asta principale.

La Figura 3 illustra una prima forma di realizzazione di un dispositivo di compensazione 301 di carichi secondo la presente invenzione.

Il dispositivo di compensazione di carichi 301, configurato in particolare per compensare carichi gravitazionali, comprende un giunto assistito 302, configurato per essere vincolato ad una struttura di supporto 303.

Il dispositivo di compensazione di carichi 301 comprende ulteriormente un’asta principale 304 comprendente un’estremità prossimale 305 connessa al giunto assistito 302, ed ulteriormente comprendente un’estremità distale 306 configurata per essere sollecitata dal carico applicato, per esempio il carico 11 già descritto.

Il dispositivo di compensazione di carichi 301 comprende ulteriormente un’asta ausiliaria 307 comprendente una prima estremità 308 ed una seconda estremità 309. La prima estremità 308 è incernierata sull’asta principale 304 per una rotazione dell’asta ausiliaria 307 rispetto all’asta principale 304. La seconda estremità 309 è invece mobile su un piano su cui giace il carico 11 applicato, che il dispositivo di compensazione di carichi 301 è configurato per compensare.

In particolare, l’asta ausiliaria 307 è aggettante fuori dall’asta principale 304 in una direzione opposta a una direzione prevalente del carico 11 applicato. In particolare, nella configurazione esemplificativa di Figura 3, l’asta principale 304 risulta orizzontale e l’asta ausiliaria 307 è aggettante fuori dall’asta principale 304 in una direzione sostanzialmente verticale e “verso l’alto”, quindi dalla parte opposta alla direzione prevalente del carico 1 1 applicato che è “verso il basso”.

Preferibilmente, la prima estremità 308 dell’asta ausiliaria 307 è incernierata sull’asta principale 304 in una posizione intermedia tra l’estremità prossimale 305 e l’estremità distale 306 dell’asta principale 304.

In particolare, proprio l’estremità distale 306 dell’asta principale 304 corrisponde a un sostegno di un elemento strutturale mobile soggetto a carichi variabili, quale l’elemento 103 già descritto.

In generale, la lunghezza delle aste 304 e 307, le distanze tra i vincoli e la configurazione cinematica generale del dispositivo di compensazione di carichi sono stabilite in funzione delle performance di compensazione desiderate, e dei vincoli energetici e di ingombro del sistema complessivo.

Il dispositivo di compensazione di carichi 301 comprende ulteriormente un elemento elastico 310, configurato per fornire una forza elastica agente tra la seconda estremità 309 dell’asta ausiliaria 307 e l’estremità distale 306 dell’asta principale 304.

In una forma di realizzazione preferita, l’elemento elastico 310 comprende una molla elicoidale a trazione o compressione. In una variante, l’elemento elastico potrebbe essere una banda di gomma o di materiale elastico adatto allo scopo.

Preferibilmente, l’elemento elastico 310 è almeno indirettamente connesso alla seconda estremità 309 dell’asta ausiliaria 307.

In una forma di realizzazione preferita, quale quella rappresentata in Figura 3, l’elemento elastico 310 è indirettamente connesso alla seconda estremità 309 dell’asta ausiliaria 307, in particolare, prevedendo un cavo di compensazione 311 che connette direttamente la seconda estremità 309 dell’asta ausiliaria 307 all’elemento elastico 310.

Preferibilmente, l’elemento elastico 310 si sviluppa assialmente, ed è sostanzialmente parallelo all’asta principale 304; in tal modo, il dispositivo di compensazione di carichi può risultare più compatto ed è possibile inserire un elemento elastico di rigidezza superiore. Il dispositivo di compensazione di carichi 301 comprende ulteriormente una puleggia 312 in prossimità dell’estremità distale 306 dell’asta principale 304, in cui il cavo di compensazione 311 impegna la puleggia 312.

In una variante, l’elemento elastico 310 potrebbe essere direttamente connesso alla seconda estremità 309 dell’asta ausiliaria 307, connettendo direttamente l’estremità distale 306 alla seconda estremità 309 risultando tra esse interposto, senza la necessità di un cavo di compensazione.

Il dispositivo di compensazione di carichi 301 comprende ulteriormente un sistema di regolazione 313 configurato per modificare una distanza tra la seconda estremità 309 dell’asta ausiliaria 307 e il giunto assistito 302, così da variare un precarico dell’elemento elastico 310.

L’elemento elastico 310 è configurato per fornire una forza elastica in base a una configurazione cinematica assunta dal dispositivo di compensazione di carichi 30 1 , così da compensare il carico 11 applicato in una sua componente trasversale all’asta principale.

In tal senso, il sistema di regolazione 313 è preferibilmente configurato per minimizzare una differenza tra la componente trasversale del carico 11 da compensare, ed una componente trasversale opposta fornita dalla forza elastica dell’elemento elastico 310.

Il principio di funzionamento messo in atto dal dispositivo di compensazione di carichi 301 è il seguente: ad ogni posizione assunta dall’utilizzatore (esoscheletro o braccio robotico) opportune logiche di controllo, tramite sensori e processori, elaborano la coppia/ forza gravitazionale agente sul giunto assistito 302. Essi elaborano quindi razione di controllo da inviare al sistema di regolazione 313 affinché quest’ultimo modifichi il precarico dell’elemento elastico 310 attraverso il sistema articolato dei bracci 304 e 307, in modo che la forza di compensazione sia uguale a quella dell’effetto gravitazionale.

In particolare, il dispositivo di compensazione di carichi 301 comprende ulteriormente una pluralità di sensori (non mostrati) configurati per misurare una posizione assoluta dell’asta principale 304 ed ulteriormente per misurare o ricavare una coppia che sollecita il giunto assistito 302 in conseguenza del carico 11 applicato. Inoltre, il dispositivo di compensazione di carichi 301 comprende ulteriormente almeno un processore (non mostrato) operativamente connesso alla pluralità di sensori e al sistema di regolazione 313, tale processore essendo configurato per calcolare il precarico dell’elemento elastico 310 in modo da controbilanciare la coppia che sollecita il giunto assistito.

Preferibilmente, il suddetto processore è ulteriormente configurato per modulare la forza elastica fornita dall’elemento elastico 310 in funzione di una traiettoria dinamica misurata dalla pluralità di sensori, così da assecondare un movimento desiderato dall’utente dell’esoscheletro o richiesto dalla programmazione del robot.

Si fornisce un esempio di un processo di regolazione eseguibile ad ogni posizione assunta dall’utilizzatore nel piano verticale, quale quello implementato dalle logiche di controllo e dai sensori per gestire i cicli di lavoro del dispositivo di compensazione di carichi 301.

Un singolo ciclo di lavoro esemplificativo può essere riassunto dal seguente flusso di operazioni:

- Sensori forniscono misure di posizione e le inviano alle logiche di controllo.

- Le logiche di controllo calcolano la posizione assunta dall’utilizzatore e l’azione gravitazionale corrispondente agente su di esso, espressa come coppia rispetto al giunto assistito 302 di riferimento. In aggiunta, preferibilmente, il sistema di controllo elabora la dinamica del movimento e la tipologia di traiettoria effettuata.

- Un processore calcola una deformazione che deve essere applicata all’elemento elastico 310 per ottenere una coppia che controbilanci l’azione gravitazionale.

- Un processore elabora l’azione di controllo da inviare al sistema di regolazione 313 che permette di ottenere la deformazione dell’elemento elastico 310 voluta, attraverso la risoluzione della cinematica del sistema articolato costituito dalle aste 304 e 307.

Preferibilmente, tale controllo è progettato per modulare la forza di attuazione in funzione del tipo di traiettoria e dinamica imposte dall’utente durante lo svolgimento di un’attività, in modo da assecondare l’intenzione dell’utente in un’applicazione ad un esoscheletro 100.

Come già descritto, il sistema di regolazione 313 è configurato per modificare una distanza tra la seconda estremità 309 dell’asta ausiliaria 307 e il giunto assistito 302, così da variare un precarico dell’elemento elastico 310. In generale, il sistema di regolazione 313 è ulteriormente configurato per variare un angolo relativo tra l’asta principale 304 e l’asta ausiliaria 307.

A tal scopo, il sistema di regolazione 313 comprende un elemento di regolazione mobile 314 associato alla struttura di supporto 303.

Preferibilmente, il sistema di regolazione 313 comprende ulteriormente un’asta di regolazione 320 che connette l’elemento di regolazione mobile 314 alla seconda estremità 309 dell’asta ausiliaria 307. Preferibilmente, l’elemento di regolazione mobile 314 comprende un attuatore lineare 320 a cui l’asta di regolazione 320 è incernierata.

Preferibilmente, l’attuatore lineare 320 è mobile lungo un elemento a rampa 322 vincolato alla struttura di supporto 303.

La Figura 4a e la Figura 4b illustrano performance esemplificative di un dispositivo di compensazione di carichi secondo la presente invenzione.

In particolare, la Figura 4a illustra un confronto tra coppie al giunto richieste ad un utente in funzione dell’angolo di rotazione dell’asta principale 304 intorno al giunto assistito, senza il dispositivo della presente invenzione (linea 400) e con il dispositivo di compensazione di carichi 301 (linea 401).

Si può notare come lo sforzo richiesto all’utente è quasi del tutto nullo nel caso di utilizzo del dispositivo (linea 401, per ogni valore dell’angolo).

In particolare, la Figura 4b illustra una situazione diversa, nella quale si assume che l’esoscheletro 100 sia equipaggiato di un motore che comanda la rotazione del giunto assistito 302 al posto dell’utente, erogando una coppia, senza il dispositivo della presente invenzione (linea 402) e con il dispositivo di compensazione di carichi 301 (linea 403).

Si può notare come la potenza (calcolata assumendo che la velocità angolare di rotazione sia costante) totale del caso di esoscheletro 100 dotato del dispositivo di compensazione di carichi della presente invenzione (linea 403) sia quasi nulla lungo tutto il campo di lavoro, rispetto alla potenza del caso di esoscheletro attivo con motore ma senza il dispositivo della presente invenzione (linea 402).

Le prestazioni esemplificate dimostrano come il dispositivo di compensazione di carichi della presente invenzione sia in grado di compensare quasi completamente l’effetto gravitazionale, in tutto il campo di lavoro, con consumi energetici minimi.

Per questo, il dispositivo di compensazione di carichi della presente invenzione consente di utilizzare un motore più leggero e meno dispendioso in termini energetici, a vantaggio di un sistema complessivo più leggero ed efficiente.

La Figura 5 illustra una seconda forma di realizzazione di un dispositivo di compensazione di carichi 501 secondo la presente invenzione.

Il dispositivo di compensazione di carichi 501 comprende sostanzialmente gli elementi già descritti in relazione alla forma di realizzazione 301 presentata con riferimento alla Figura 3.

Rispetto alla forma di realizzazione 301 già descritta, il dispositivo di compensazione di carichi 501 prevede differenti geometrie complessive, che comportano caratteristiche cinematiche leggermente differenti che consentono una compensazione di carichi adattata ad uno specifico utilizzo.

Inoltre, Rispetto alla forma di realizzazione 301 già descritta, il dispositivo di compensazione di carichi 501 prevede un attuatore lineare 320 che si muove su un differente elemento a rampa 522, inclinato diversamente e non direttamente collegato al giunto assistito 302, ma comunque connesso alla struttura di supporto 303.

In altre parole, il dispositivo di compensazione di carichi 501 prevede un sistema di regolazione 313 che comprende sempre un elemento di regolazione mobile 314 associato alla struttura di supporto 303, e in cui l’attuatore lineare 321 è mobile lungo un differente elemento a rampa 522 vincolato alla struttura di supporto, in cui l’elemento a rampa 522 ha un’inclinazione determinata in base a differenti caratteristiche cinematiche desiderate per il dispositivo di compensazione di carichi 50 1.

La Figura 6 illustra una terza forma di realizzazione di un dispositivo di compensazione di carichi 601 secondo la presente invenzione.

Il dispositivo di compensazione di carichi 601 comprende sostanzialmente gli elementi già descritti in relazione alla forma di realizzazione 301 presentata con riferimento alla Figura 3.

Pertanto, il dispositivo di compensazione di carichi 601 applica lo stesso principio di funzionamento descritto in relazione alle forme di realizzazione 301 e 501 precedenti, ma utilizza un diverso sistema di regolazione 613 allinterno della struttura meccanica ibrida.

In particolare, il sistema di regolazione 613 comprende ulteriormente un cavo 620 che connette l’elemento di regolazione mobile 614 alla seconda estremità 309 dell’asta ausiliaria 307.

In questa forma di realizzazione del sistema di regolazione 613, l’elemento di regolazione mobile 614 comprende una puleggia motorizzata 62 1 su cui il cavo 620 è atto ad avvolgersi o svolgersi. In tal modo, il sistema di regolazione 613 è configurato per modificare una distanza tra la seconda estremità 309 dell’asta ausiliaria 307 e il giunto assistito 302, così da variare un precarico dell’elemento elastico 310. In generale, il sistema di regolazione 613 è ulteriormente configurato per variare un angolo relativo tra l’asta principale 304 e l’asta ausiliaria 307.

Preferibilmente, la puleggia motorizzata 621 è in una posizione fissa rispetto al giunto assistito 302, e una seconda distanza tra la puleggia motorizzata 621 e il giunto assistito 302 è determinata in base a caratteristiche cinematiche desiderate del dispositivo di compensazione di carichi 60 1.

In altre parole, in questa forma di realizzazione del sistema di regolazione 613, l’attuatore lineare 321 viene sostituito da un attuatore rotativo o motore 621, mentre l’asta di regolazione 320 viene sostituita da un cavo 620, il quale si avvolge alla puleggia 621 comandata dal motore.

La Figura 7 illustra un esoscheletro 700 coinvolgente bacino e rachide lombare, e comprendente un dispositivo di compensazione di carichi 701 secondo la presente invenzione.

In questa forma di realizzazione del dispositivo di compensazione di carichi 701, esso è applicato ad esoscheletri per rachide lombare.

Il dispositivo di compensazione di carichi 701 è collegato ad una struttura di supporto 702 sulla quale vengono scaricate le forze. La forza di compensazione viene trasferita dal dispositivo 701 all’arto tramite un elemento 704, durante il moto della gamba imposto dall’utente intorno alla cerniera 3. L’elemento 704 stesso contiene preferibilmente i componenti elettronici e le batterie di alimentazione di tutte le parti attive, mentre vi sono sensori per rilevare la rotazione relativa tra 703 e 704.

In generale, il dispositivo di compensazione di carichi è associato, nell’esoscheletro, ad una batteria per l’alimentazione del sistema di regolazione, ad una pluralità di sensori e ad almeno un processore.

La Figura 8 illustra una quarta forma di realizzazione di un dispositivo di compensazione di carichi secondo la presente invenzione.

Il dispositivo di compensazione di carichi 701 è applicato all’esoscheletro 700 per alleviare lo sforzo nella zona del rachide lombare. In questo caso il giunto assistito 302 è quello del bacino. La struttura di supporto alla quale si aggancia il dispositivo di compensazione di carichi 701 è composta da due parti, una che si aggancia sulla parte superiore della gamba e una che si aggancia al bacino.

Il dispositivo di compensazione di carichi 701 segue la stessa implementazione del dispositivo di compensazione di carichi 501 già descritto.

Applicabilità industriale

La presente invenzione consente di compensare efficacemente carichi, in particolare carichi gravitazionali.

Il dispositivo di compensazione di carichi secondo la presente invenzione può essere integrato all’interno di esoscheletri, progettati in particolare per applicazioni industriali nelle quali un utente deve svolgere operazioni manuali faticose o in generale usuranti, e per applicazioni biomedicali, sia riabilitative che assistìve.

In tal senso, il dispositivo di compensazione di carichi secondo la presente invenzione integrato in un esoscheletro consente una riduzione di carico in differenti giunti, come la spalla, il rachide lombare, il ginocchio, l’anca, eccetera.

Inoltre, il dispositivo di compensazione di carichi secondo la presente invenzione può essere integrato anche all’interno di bracci robotici.

Considerando la descrizione qui riportata, il tecnico del ramo potrà congegnare ulteriori modifiche e varianti, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti e specifiche.

Le forme di realizzazione qui descritte sono pertanto da intendersi esempi illustrativi e non limitativi dell’invenzione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di compensazione di carichi (201, 301, 501, 601, 701) comprendente: - un giunto assistito (3; 302) configurato per essere vincolato ad una struttura di supporto (102, 104; 303; 702, 704); un’asta principale (304) comprendente un’estremità prossimale (305) connessa a detto giunto assistito (3; 302), ed ulteriormente comprendente un’estremità distale (306) configurata per essere sollecitata da un carico (11) applicato; - un’asta ausiliaria (307) comprendente una prima estremità (308) ed una seconda estremità (309), detta prima estremità (308) essendo incernierata su detta asta principale (304) per una rotazione di detta asta ausiliaria (307) rispetto a detta asta principale (304), detta seconda estremità (309) essendo mobile su un piano su cui giace detto carico (11) applicato; - un elemento elastico (310) configurato per fornire una forza elastica agente tra detta seconda estremità (309) di detta asta ausiliaria (307) e detta estremità distale (306) di detta asta principale (304); - un sistema di regolazione (313; 613) configurato per modificare una distanza tra detta seconda estremità (309) di detta asta ausiliaria (307) e detto giunto assistito (3; 302), così da variare un precarico di detto elemento elastico (310); in cui detto elemento elastico (310) è configurato per fornire detta forza elastica in base a una configurazione cinematica di detto dispositivo di compensazione di carichi (201, 301, 501, 601, 701), così da compensare detto carico (11) applicato in una sua componente trasversale a detta asta principale (304).
2. Dispositivo di compensazione di carichi secondo la rivendicazione 1, in cui detto sistema di regolazione (313; 613) comprende un elemento di regolazione mobile (314; 614) associato a detta struttura di supporto (303).
3. Dispositivo di compensazione di carichi secondo la rivendicazione 2, in cui detto sistema di regolazione (313) comprende ulteriormente un’asta di regolazione (320) che connette detto elemento di regolazione mobile (314) a detta seconda estremità (309) di detta asta ausiliaria (307), ed in cui detto elemento di regolazione mobile (314) comprende un attuatore lineare (321) a cui detta asta di regolazione (320) è incernierata.
4. Dispositivo di compensazione di carichi secondo la rivendicazione 3, in cui detto attuatore lineare (321) è mobile lungo un elemento a rampa (322; 522) vincolato a detta struttura di supporto (303), detto elemento a rampa (322; 522) avendo un’inclinazione determinata in base a caratteristiche cinematiche desiderate di detto dispositivo di compensazione di carichi (201, 301, 501, 601, 701).
5. Dispositivo di compensazione di carichi secondo la rivendicazione 2, in cui detto sistema di regolazione (613) comprende ulteriormente un cavo (620) che connette detto elemento di regolazione mobile (614) a detta seconda estremità (309) di detta asta ausiliaria (307), ed in cui detto elemento di regolazione mobile (614) comprende una puleggia motorizzata (621) su cui detto cavo (620) è atto ad avvolgersi o svolgersi.
6. Dispositivo di compensazione di carichi secondo la rivendicazione 5, in cui detta puleggia motorizzata (621) è in una posizione fissa rispetto a detto giunto assistito (302), e in cui una seconda distanza tra detta puleggia motorizzata (621) e detto giunto assistito (302) è determinata in base a caratteristiche cinematiche desiderate di detto dispositivo di compensazione di carichi (201, 301, 501, 601, 701).
7. Dispositivo di compensazione di carichi secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, in cui detto sistema di regolazione (313; 613) è ulteriormente configurato per variare un angolo relativo tra detta asta principale (304) e detta asta ausiliaria (307).
8. Dispositivo di compensazione di carichi secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7, in cui detto sistema di regolazione (313; 613) è ulteriormente configurato per minimizzare una differenza tra detta componente trasversale di detto carico (11) applicato ed una componente trasversale opposta fornita da detta forza elastica.
9. Dispositivo di compensazione di carichi secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, ulteriormente comprendente una pluralità di sensori configurati per misurare una posizione assoluta di detta asta principale (304) ed ulteriormente per misurare una coppia che sollecita detto giunto assistito (3; 302) in conseguenza di detto carico (11) applicato, ed ulteriormente comprendente almeno un processore operativamente connesso a detta pluralità di sensori e a detto sistema di regolazione (313; 613), configurato per calcolare detto precarico in modo da controbilanciare detta coppia che sollecita detto giunto assistito (3; 302).
10. Dispositivo di compensazione di carichi secondo la rivendicazione 9, in cui detto processore è ulteriormente configurato per modulare detta forza elastica in funzione di una traiettoria dinamica misurata da detta pluralità di sensori, per assecondare un movimento desiderato.
11. Dispositivo di compensazione di carichi secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 10, in cui detto elemento elastico (310) è almeno indirettamente connesso a detta seconda estremità (309) di detta asta ausiliaria (307).
12. Dispositivo di compensazione di carichi secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 11, ulteriormente comprendente un cavo di compensazione (311), detto cavo di compensazione (311) connettendo detta seconda estremità (309) di detta asta ausiliaria (307) a detto elemento elastico (310).
13. Dispositivo di compensazione di carichi secondo la rivendicazione 12, in cui detto elemento elastico (310) si sviluppa assialmente ed è sostanzialmente parallelo a detta asta principale (304), detto dispositivo di compensazione di carichi (301, 501, 601, 701) comprendendo ulteriormente una puleggia (312) in prossimità di detta estremità distale (306) di detta asta principale (304), detto cavo di compensazione (311) impegnando detta puleggia (312).
14. Dispositivo di compensazione di carichi secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 13, in cui detta asta ausiliaria (307) è aggettante fuori da detta asta principale (304) in una direzione opposta a una direzione prevalente di detto carico (11) applicato.
15. Dispositivo di compensazione di carichi secondo la rivendicazione 14, in cui detta prima estremità (308) di detta asta ausiliaria (307) è incernierata su detta asta principale (304) in una posizione intermedia tra detta estremità prossimale (305) e detta estremità distale (306) di detta asta principale (304).
16. Dispositivo di compensazione di carichi secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 15, in cui detta estremità distale (306) di detta asta principale (304) corrisponde a un sostegno di un elemento strutturale mobile (130; 703) soggetto a carichi variabili.
17. Esoscheletro (100; 700) comprendente almeno un dispositivo di compensazione di carichi (201, 301, 501, 601, 701) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 16.
18. Esoscheletro secondo la rivendicazione 17, ulteriormente comprendente almeno una batteria per l’alimentazione di detto sistema di regolazione, e preferibilmente comprendente una pluralità di sensori ed almeno un processore.