ITPI20130005A1 - Dispositivo robotico per l'assistenza alla forza umana - Google Patents

Description

“DISPOSITIVO ROBOTICO PER L’ASSISTENZA ALLA FORZA UMANAâ€

DESCRIZIONE

Ambito dell’invenzione

La presente invenzione si colloca nell’ambito dei dispositivi che interagiscono fisicamente con l’uomo (Physical Human-Device Interaction).

In particolare, l’invenzione si riferisce a una tecnica di attuazione che impiega sia elementi attivi che elementi passivi per la generazione della forza di interazione con l’uomo.

Descrizione della tecnica nota

Sono noti dispositivi atti ad interagire fisicamente con l’uomo che possono essere utilizzati, ad esempio, negli ambiti della riabilitazione motoria di pazienti colpiti da traumi neurologici o ortopedici (Rehabilitation Robotics), della assistenza fisica degli anziani o dei disabili durante le loro attività di vita quotidiana (Assistive Robotics) o della riduzione degli sforzi articolari derivanti dalla movimentazione di materiale nei processi logistici e produttivi (Material Handling Robotics).

Tali dispositivi sono costituiti da meccanismi pluriarticolati, caratterizzati dall’essere direttamente o indirettamente, ad esempio tramite l’interposizione di un utensile, in contatto fisico con il corpo dell’utente in uno o più punti, al fine di fornire determinate forze di interazione, atte, ad esempio, a supportare il carico movimentato o aiutare il paziente a compiere dei movimenti di riabilitazione.

In particolare sono noti i cosiddetti “azzeratori di gravità†, che riducono il peso degli utensili impiegati nelle operazioni manuali in una catena di montaggio, o i sistemi robotici utilizzati per la riabilitazione motoria.

Nella modalità di impiego tipica di questi dispositivi le forze di interazione con l’uomo da essi generate sono costanti per intervalli di tempo relativamente lunghi. Questi dispositivi possono essere classificati come attivi o passivi, in funzione della presenza o meno di attuatori impiegati per la generazione della forza di interazione. I vantaggi e gli svantaggi delle due tipologie di dispositivi sono descritti di seguito.

I sistemi attivi hanno un elevato grado di flessibilità d’uso in quanto consentono di generare forze di interazione di intensità e orientazione rapidamente variabili nel tempo. Un esempio di dispositivo attivo interagente con l’uomo à ̈ l’esoscheletro per gli arti inferiori descritto in CN102088933, nel quale attuatori agenti sulle articolazioni di flessione dell’anca generano coppie di supporto alla deambulazione.

Tuttavia, per la generazione della forza di interazione, i sistemi attivi impiegano attuatori , ad esempio motori elettrici, che vengono continuamente alimentati in ogni condizione di funzionamento. Ne consegue un elevato consumo di energia e la necessità di utilizzare accumulatori/generatori pesanti e ingombranti, difficilmente imbarcabili nel dispositivo, come sarebbe invece desiderabile nel caso, ad esempio, delle ortesi attive.

Inoltre, i sistemi attivi necessitano di adeguati sensori e di sofisticati controlli degli attuatori per raggiungere una sufficiente accuratezza della forza di interazione con l’uomo da essi generata. Questa soluzione non à ̈ intrinsecamente sicura per l’utente, in quanto si possono determinare instabilità della forza di interazione qualora il controllore del dispositivo non sia sufficientemente robusto alla variabilità dei parametri dinamici dell’uomo e dell’ambiente con i quali il dispositivo interagisce fisicamente.

Diversamente, i dispositivi passivi, usando elementi passivi per generare la forza di interazione, quali contrappesi o elementi elastici, non necessitano di alcuna energia in tutte le condizioni operative, non richiedono sensori e controlli sofisticati e sono intrinsecamente sicuri, in virtù della natura passiva della tecnica di attuazione. Inoltre, essi trovano applicazione in molte modalità di impiego in cui le forze di interazione con l’uomo sono costanti per intervalli di tempo relativamente lunghi.

Ad esempio in FR2541574A1 o in WO2012042416A2 sono descritti sistemi passivi per la riabilitazione motoria in grado di generare una forza di allevio del peso proprio del braccio che risulta costante per ogni postura assunta dal braccio e, quindi, dal dispositivo robotico, tramite l’impiego di opportuni contrappesi, che vengono scelti in base alla taglia del paziente.

Esistono anche dispositivi utilizzanti elementi elastici, come quello descritto in R Barents, M Schenk, WD Van Dorsser, BM Wisse, JL Herder, (2011), "Spring-to-Spring Balancing as Energy-Free Adjustment Method in Gravity Equilibrators", ASME Journal of Mechanical Design, Volume 133, Issue 6, pp 061010.

Esso utilizza una molla che funge da serbatoio di energia elastica, in modo tale che l’energia totale del sistema, ovvero la somma di quella potenziale e quella elastica, risulti sempre costante. Nello stesso articolo si evidenzia come, affinché tale condizione sia realizzata, à ̈ sufficiente impiegare opportuni elementi elastici il cui funzionamento à ̈ equivalente a quelle di molle ideali, ovvero molle aventi lunghezza a riposo nulla. Siffatte molle hanno la caratteristica di esercitare forze proporzionali alla loro lunghezza, anziché al loro allungamento/accorciamento.

Tuttavia i dispositivi passivi necessitano di un intervento manuale per la modifica della forza di interazione, e, quindi, tale modifica non può avvenire in modo automatico, ovvero tramite l’impiego di un sistema di controllo che valuta la forza di interazione richiesta sulla base delle condizioni operative.

Inoltre, le attuali tecniche di bilanciamento passivo prevedono due soluzioni distinte per la disposizione degli elementi elastici sulle parti del dispositivo robotico.

Nella prima soluzione, tutti gli elementi elastici sono disposti in corrispondenza della parte avente orientazione fissa rispetto alla direzione della forza di interazione con l’uomo, ovvero sul telaio del dispositivo robotico.

Nella seconda soluzione, gli elementi elastici sono disposti su tutte quelle parti mobili per le articolazioni delle quali à ̈ necessario generare un momento di bilanciamento della forza di interazione con l’uomo.

La prima soluzione consente di modificare l’intensità della forza di interazione con una sola azione di registrazione, ma richiede che sul telaio sia disponibile un sufficiente spazio per alloggiare tutti i necessari elementi elastici e il relativo meccanismo di registrazione. Risulta quindi minore lo spazio disponibile per alloggiare altri sottosistemi necessari al funzionamento del dispositivo robotico, quali il controllore e il sistema di generazione e stoccaggio dell’energia, normalmente alloggiati nella parte fissa del dispositivo.

La seconda soluzione consente di ridurre lo spazio necessario all’alloggiamento della parte del sistema di attuazione disposto sul telaio, ma non consente di modificare l’intensità della forza tramite una sola azione di registrazione. Infatti, occorrono tante azioni di registrazione quanti sono gli elementi elastici.

Inoltre, affinché la forza di interazione con l’uomo risulti effettivamente costante indipendentemente dalla postura assunta dal dispositivo robotico, à ̈ necessario che tali azioni di registrazione vengano attuate in proporzioni ben definite.

Un ulteriore svantaggio di tale seconda soluzione à ̈ che, affinché ogni elemento elastico possa generare correttamente il relativo momento equilibrante, à ̈ necessario prevedere un meccanismo aggiuntivo in grado di riportare su ogni parte mobile la direzione della forza di interazione. Infine, l’inerzia delle parti mobili, e in particolare di quelle distali, risulta relativamente elevata a causa delle masse dovute a all’attuatore, agli elementi elastici e ai relativi sistemi di registrazione su di esse disposti.

Sintesi dell’invenzione

È quindi scopo della presente invenzione fornire un sistema di attuazione che impieghi sia elementi attivi (attuatori) che elementi passivi (elementi elastici) e che consenta di modificare in modo automatico, ovvero senza interventi manuali, l’intensità della forza di interazione con l'uomo, utilizzando un sistema di controllo che ne valuta il valore richiesto sulla base di opportuni input sensoriali e che comanda di conseguenza l’attuatore o gli attuatori.

È ulteriore scopo della presente invenzione fornire un sistema di attuazione che consenta di disporre tutti gli elementi elastici, il sistema di registrazione e i relativi attuatori su una sola parte mobile, tale parte mobile essendo prossimale al telaio, in modo da minimizzare l’ingombro occupato dal sistema di attuazione sul telaio.

È un altro scopo della presente invenzione fornire un sistema di attuazione che consenta di modificare la forza di interazione anche mediante l’utilizzo di un solo attuatore.

È anche scopo della presente invenzione fornire un sistema di attuazione che consenta di minimizzare l’inerzia delle parti mobili distali.

Questi ed altri scopi sono raggiunti da un dispositivo robotico per la generazione di forze di assistenza o resistenza ai movimenti del corpo umano comprendente:

- un telaio avente un punto fisso A e un punto di articolazione O, solidali con il telaio, detto punto fisso A essendo posto ad una predeterminata distanza a1rispetto al punto O;

- un braccio prossimale, vincolato rotoidalmente al telaio in corrispondenza del punto di articolazione O, detto braccio prossimale avendo un punto di carico O’ posto ad una predeterminata distanza l1dal punto di articolazione O lungo un asse prossimale, tale asse prossimale avendo una determinata direzione x ed essendo atto a compiere una prima rotazione di ampiezza desiderata Î ̧1, tale prima rotazione di ampiezza desiderata Î ̧1giacendo su un piano Ï€ contenente il punto fisso A e l’asse prossimale, tale prima ampiezza desiderata Î ̧1essendo nulla quando la determinata direzione x coincide con una predeterminata direzione y passante per il punto fisso A e per il punto di articolazione O;

- un elemento elastico allungato prossimale, avente una predeterminata rigidezza k1, vincolato al braccio prossimale e al telaio, in modo da generare un momento di interazione Min1rispetto al punto di articolazione O, tale momento di interazione Min1agendo su detto braccio prossimale ed essendo atto a generare una forza di interazione Fin1sul braccio prossimale parallela alla direzione y e applicata in corrispondenza del punto di carico O’, tale forza di interazione Fin1essendo correlata al momento di interazione Min1secondo la relazione Fin1*l1*sinÎ ̧1= Min1;

in cui sono inoltre compresi:

- mezzi a carrello comprendenti un carrello, tale carrello essendo disposto scorrevolmente sul braccio prossimale e avendo un primo punto di bilanciamento B giacente sull’asse prossimale, tale primo punto di bilanciamento B essendo posto ad una determinata distanza di bilanciamento b1dal punto di articolazione O, tale carrello essendo atto a muoversi lungo l’asse prossimale, in modo da variare la distanza di bilanciamento b1;

- mezzi di regolazione atti a movimentare automaticamente i mezzi a carrello lungo l’asse prossimale;

e in cui il momento di interazione Min1Ã ̈ correlato alla distanza di bilanciamento b1secondo la relazione k1*a1*b1*sinÎ ̧1= Min1, per cui la forza di interazione Fin1risulta correlata alla distanza di bilanciamento b1secondo la relazione Fin1= k1*a1*b1/l1per qualsiasi valore di Î ̧1.

In tal modo, ponendo, ad esempio, k1, a1e l1costanti, Ã ̈ possibile variare la forza di interazione Fin1variando proporzionalmente la distanza di bilanciamento b1, mediante i mezzi di regolazione.

I mezzi di regolazione possono quindi permettere di bilanciare una forza esterna Fext1, uguale e contraria alla forza equilibrante Feq1, modificando la distanza di bilanciamento b1in modo tale che sia verificata la relazione Fext1*l1=k1*a1*b1. Secondo tale relazione, infatti, il suddetto dispositivo robotico risulta in equilibrio statico per qualsiasi valore di Î ̧1.

Vantaggiosamente, i mezzi di regolazione comprendono:

- un attuatore, in particolare un motore, solidale al braccio prossimale, atto a movimentare il carrello per variare la distanza di bilanciamento b1;

- una unità di controllo atta a ricevere informazioni di input, elaborare tali informazioni di input e comandare l’attuatore per variare la distanza di bilanciamento b1 sulla base di tali informazioni di input;

In tal modo, i mezzi di regolazione possono variare la distanza di bilanciamento b1 in maniera automatica gestiti dall’unità di controllo, che impone all’attuatore di adeguarsi in tempo reale a diversi valori richiesti della forza di interazione Fin1.

Vantaggiosamente, l’elemento elastico allungato prossimale à ̈ vincolato ad una pluralità di elementi di guida configurati per guidare l’elemento elastico allungato prossimale secondo un percorso determinato.

In particolare, almeno un elemento di guida della pluralità à ̈ una puleggia provvista di una gola ed imperniata su un asse di rotazione sostanzialmente ortogonale al piano Ï€, tale elemento elastico allungato prossimale essendo vincolato nella suddetta gola.

Vantaggiosamente, la pluralità di elementi di guida comprende:

- una prima puleggia avente un predeterminato raggio di gola R, tale prima puleggia essendo imperniata, con possibilità di rotazione rispetto al carrello, su un asse r passante per il punto fisso A e ortogonale al piano π;

- una seconda puleggia avente il suddetto predeterminato raggio di gola R, tale seconda puleggia essendo imperniata senza possibilità di rotazione su un asse s passante per il primo punto di bilanciamento B e ortogonale al piano π;

- una terza puleggia avente il suddetto predeterminato raggio di gola R, tale terza puleggia essendo imperniata con possibilità di rotazione su un asse t passante per il punto di articolazione O e ortogonale al piano π;

In particolare, l’elemento elastico allungato prossimale ha una prima estremità vincolata alla seconda puleggia in corrispondenza della gola e una seconda estremità vincolata al braccio prossimale in corrispondenza di un primo punto di ancoraggio prossimale D.

Inoltre, l’elemento elastico allungato prossimale comprende una porzione inestensibile e una molla, tra loro connesse in serie. Tale porzione inestensibile à ̈ atta ad avvolgersi intorno alla prima puleggia, intorno alla seconda puleggia e intorno alla terza puleggia, in modo tale che l’azione dell’elemento elastico allungato prossimale sia equivalente a quella di una molla ideale, ovvero una molla con lunghezza a riposo nulla, con estremità connesse al punto fisso A e al primo punto di bilanciamento B.

In tal modo, à ̈ possibile generare una forza elastica Fel1tra i punti A e B che sia effettivamente direttamente proporzionale al segmento AB con costante di proporzionalità pari alla rigidezza k1della molla.

Alternativamente, la pluralità di elementi di guida può comprendere:

- una prima puleggia avente un predeterminato raggio di gola R, tale prima puleggia essendo imperniata con possibilità di rotazione su un asse r passante per il punto fisso A e ortogonale al piano π;

- una seconda puleggia avente il suddetto predeterminato raggio di gola R, tale seconda puleggia essendo imperniata, senza possibilità di rotazione rispetto al carrello, su un asse s passante per il primo punto di bilanciamento B e ortogonale al piano π;

- una quarta puleggia avente il suddetto predeterminato raggio di gola R, tale quarta puleggia essendo imperniata con possibilità di rotazione su un asse s passante per il primo punto di bilanciamento B e ortogonale al piano π;

In particolare, l’elemento elastico allungato prossimale ha una prima estremità vincolata alla seconda puleggia in corrispondenza della gola e una seconda estremità vincolata al carrello in corrispondenza di un secondo punto di ancoraggio prossimale E.

Inoltre, l’elemento elastico allungato prossimale comprende una porzione inestensibile e una molla, tra loro connesse in serie. Tale porzione inestensibile à ̈ atta ad avvolgersi intorno alla prima puleggia, intorno alla seconda puleggia e intorno alla quarta puleggia, in modo tale che l’azione dell’elemento elastico allungato prossimale sia equivalente a quella di una molla ideale, ovvero una molla con lunghezza a riposo nulla, con estremità connesse al punto fisso A e al primo punto di bilanciamento B, in particolare detta molla ideale avendo una rigidezza k tale che k = 4*k1.

Il vantaggio rispetto alla variante suddetta à ̈ che, a parità dei parametri a1, b1e k1, à ̈ possibile ottenere una forza di interazione Fin1quattro volte maggiore. Questo permette di poter utilizzare una molla coj rigidezza k1minore e/o di miniaturizzare il sistema, riducendo a1e/o b1.

Vantaggiosamente, la suddetta pluralità di elementi di guida può comprendere inoltre una quinta puleggia imperniata con possibilità di rotazione su un asse p passante per un punto di avvolgimento prossimale C del carrello e ortogonale al piano π.

In tal modo, avvolgendo la porzione inestensibile anche intorno alla quinta puleggia, Ã ̈ possibile posizionare convenientemente la molla in modo che non interferisca con detti mezzi a carrello e detti mezzi di regolazione.

In particolare, i mezzi di regolazione comprendono una vite di manovra atta ad essere posta in rotazione dall’attuatore per movimentare il carrello lungo l’asse prossimale.

Vantaggiosamente, il dispositivo robotico comprende inoltre:

- un braccio distale vincolato rotoidalmente al braccio prossimale in corrispondenza del punto di carico O’, tale braccio distale avendo un secondo punto di carico O’’ posto ad una predeterminata distanza l2dal punto di carico O’ lungo un asse distale, tale asse distale avendo una determinata direzione z ed essendo atto a compiere una seconda rotazione di ampiezza desiderata Î ̧2, tale seconda rotazione di ampiezza desiderata Î ̧2giacendo su un piano parallelo al piano Ï€, tale seconda ampiezza desiderata Î ̧2essendo nulla quando la determinata direzione z coincide con la predeterminata direzione y;

- una leva di bilanciamento vincolata rotoidalmente al telaio nel punto di articolazione O, tale leva di bilanciamento avendo un secondo punto di bilanciamento B’ ed essendo provvisto di un asse di bilanciamento avente una determinata direzione w, tale asse di bilanciamento passando per il punto di articolazione O e per il secondo punto di bilanciamento B’, tale secondo punto di bilanciamento B’ essendo posto ad una predeterminata distanza b2rispetto al punto di articolazione O; - un meccanismo di trasmissione atto a movimentare la leva di bilanciamento in modo tale che l’asse di bilanciamento possa compiere, rispetto all’asse prossimale, una rotazione di ampiezza Î ̧2;

- un elemento elastico allungato distale, avente una predeterminata rigidezza k2, vincolato al braccio prossimale, al telaio e alla leva di bilanciamento, in modo da generare un momento di interazione Min2rispetto al punto di carico O’, tale momento di interazione Min2agendo sul braccio distale ed essendo atto a generare una forza di interazione Fin2sul braccio distale parallela alla direzione y e applicata in corrispondenza del secondo punto di carico O’’, tale forza di interazione Fin2essendo correlata al momento di interazione Min2secondo la relazione Fin2*l2*sinÎ ̧2= Min2.

In particolare, il momento di interazione Min2Ã ̈ correlato alla distanza di bilanciamento b1secondo la relazione k2*b2*b1*sinÎ ̧2= Min2, per cui la forza di interazione Fin2risulta correlata alla distanza di bilanciamento b1secondo la relazione Fin2= k2*b2*b1/l2per qualsiasi valore di Î ̧2.

In tal modo, considerando che la distanza di bilanciamento b1viene variata in relazione alla forza Fin1che si vuole generare sul braccio prossimale, si possono dimensionare preliminarmente i parametri k2, b2e l2in modo da ottenere il rapporto Fin1/ Fin2desiderato.

Tale sistema permette di utilizzare un solo carrello, un solo attuatore e una sola vite di manovra per entrambi i bracci, con conseguente riduzione di peso e convenienza economica.

In particolare, la pluralità di elementi di guida comprende:

- una sesta puleggia avente un predeterminato raggio di gola R, tale sesta puleggia essendo imperniata con possibilità di rotazione su un asse u passante per il secondo punto di bilanciamento B’ e ortogonale al piano π;

- una settima puleggia avente il suddetto predeterminato raggio di gola R, tale settima puleggia essendo imperniata, senza possibilità di rotazione rispetto al carrello, su un asse s passante per il primo punto di bilanciamento B e ortogonale al piano π;

- una ottava puleggia avente il suddetto predeterminato raggio di gola R, tale ottava puleggia essendo imperniata con possibilità di rotazione su un asse t passante per il punto di articolazione O e ortogonale al piano π;

In particolare, l’elemento elastico allungato distale ha una prima estremità vincolata alla settima puleggia in corrispondenza della gola e una seconda estremità vincolata al braccio prossimale in corrispondenza di un primo punto di ancoraggio distale D’.

Inoltre, l’elemento elastico allungato distale comprende una porzione inestensibile e una molla, tra loro connesse in serie. Tale porzione inestensibile à ̈ atta ad avvolgersi intorno alla sesta puleggia, intorno alla settima puleggia e intorno alla ottava puleggia, in modo tale che l’azione dell’elemento elastico allungato distale sia equivalente a quella di una molla ideale, ovvero una molla con lunghezza a riposo nulla, con estremità connesse al secondo punto di bilanciamento B’ e al primo punto di bilanciamento B.

In tal modo, à ̈ possibile generare una forza elastica Fel2tra i punti B’ e B che sia effettivamente direttamente proporzionale alla lunghezza del segmento B’B con costante di proporzionalità pari alla rigidezza k2della molla.

Alternativamente, la pluralità di elementi di guida può comprendere:

- una sesta puleggia avente un predeterminato raggio di gola R, tale sesta puleggia essendo imperniata con possibilità di rotazione su un asse r passante per il punto fisso A e ortogonale al piano π;

- una settima puleggia avente il suddetto predeterminato raggio di gola R, tale settima puleggia essendo imperniata, senza possibilità di rotazione rispetto al carrello, su un asse s passante per il primo punto di bilanciamento B e ortogonale al piano π;

- una nona puleggia avente il suddetto predeterminato raggio di gola R, tale nona puleggia essendo imperniata con possibilità di rotazione su un asse s passante per il primo punto di bilanciamento B e ortogonale al piano π;

In particolare, l’elemento elastico allungato distale ha una prima estremità vincolata alla settima puleggia in corrispondenza della gola e una seconda estremità vincolata al carrello in corrispondenza di un secondo punto di ancoraggio distale E’.

Inoltre, l’elemento elastico allungato prossimale comprende una porzione inestensibile e una molla, tra loro connesse in serie. Tale porzione inestensibile à ̈ atta ad avvolgersi intorno alla sesta puleggia, intorno alla settima puleggia e intorno alla nona puleggia, in modo tale che l’azione dell’elemento elastico allungato distale sia equivalente a quella di una molla ideale, ovvero una molla con lunghezza a riposo nulla, con estremità connesse al secondo punto di bilanciamento B’ e al primo punto di bilanciamento B, in particolare detta molla ideale avendo una rigidezza k tale che k = 4*k2.

Il vantaggio rispetto alla variante suddetta à ̈ che, a parità dei parametri b1, b2e k2, à ̈ possibile ottenere una forza di interazione Fin2quattro volte maggiore. Questo permette di poter utilizzare una molla con rigidezza k2minore e/o di miniaturizzare il sistema, riducendo b1e/o b2.

Vantaggiosamente, la suddetta pluralità di elementi di guida può comprendere inoltre una decima puleggia imperniata con possibilità di rotazione su un asse q passante per un punto di avvolgimento distale C’ del carrello e ortogonale al piano π.

In tal modo, avvolgendo la porzione inestensibile anche intorno alla decima puleggia, Ã ̈ possibile posizionare convenientemente la molla in modo che non interferisca con detti mezzi a carrello e detti mezzi di regolazione. .

Vantaggiosamente, il meccanismo di trasmissione comprende:

- un parallelogramma articolato atto a trasmettere, a monte del braccio prossimale, un’informazione riguardante un’ampiezza angolare Î ́ funzione dell’ampiezza angolare Î ̧2;

- un meccanismo di decodificazione atto a ricevere la suddetta informazione riguardante l’ampiezza angolare Î ́, e a movimentare la leva di bilanciamento in modo tale che l’asse di bilanciamento possa compiere, rispetto a all’asse prossimale, una rotazione di ampiezza Î ̧2.

Vantaggiosamente, i mezzi a carrello possono comprendere inoltre un carrello ausiliario disposto scorrevolmente sul braccio prossimale, tale carrello ausiliario avendo un terzo punto di bilanciamento B’’ giacente sull’asse prossimale, tale terzo punto di bilanciamento B’’ essendo posto ad una determinata seconda distanza di bilanciamento a2dal punto di articolazione O, tale carrello ausiliario essendo atto a muoversi lungo l’asse prossimale, in modo da variare la seconda distanza di bilanciamento a2.

In particolare, i mezzi di regolazione possono comprendere inoltre:

- un attuatore ausiliario, in particolare un motore, solidale al braccio prossimale, atto a movimentare il carrello ausiliario per variare la seconda distanza di bilanciamento a2;

- una vite di manovra ausiliaria atta ad essere posta in rotazione dall’attuatore ausiliario per movimentare il carrello ausiliario lungo l’asse prossimale.

In tal caso, il momento di interazione Min2Ã ̈ correlato alla seconda distanza di bilanciamento a2secondo la relazione k2*b2*a2*sinÎ ̧2= Min2, per cui la forza di interazione Fin2risulta correlata alla seconda distanza di bilanciamento a2secondo la relazione Fin2= k2*b2*a2/l2per qualsiasi valore di Î ̧2.

Vantaggiosamente, almeno una fra la vite di manovra e la vite di manovra ausiliaria à ̈ una vite a ricircolo di sfere avente un asse di rotazione v parallelo alla direzione x, tale vite a ricircolo di sfere comprendendo un’anima interna ed una chiocciola, tale anima interna essendo solidale ai mezzi a carrello ed essendo atta a traslare lungo l’asse di rotazione v, in conseguenza di una rotazione della chiocciola attorno all’asse di rotazione v.

Vantaggiosamente, almeno uno fra l’attuatore e l’attuatore ausiliario comprende uno statore, solidale al braccio prossimale, ed un rotore, solidale alla chiocciola e atto a ruotare intorno all’asse di rotazione v, ponendo in rotazione anche la chiocciola.

In tal modo, una rotazione del rotore attorno all’asse di rotazione v provoca una traslazione dell’anima interna lungo l’asse di rotazione v e dunque una traslazione dei mezzi a carrello lungo l’asse prossimale.

In particolare, almeno uno fra l’attuatore e l’attuatore ausiliario comprende un freno elettromeccanico atto a passare da una configurazione di blocco, in cui il freno elettromeccanico non à ̈ alimentato e l’attuatore, e/o l’attuatore ausiliario, non può movimentare i mezzi a carrello, ad una configurazione di sblocco, in cui il freno elettromeccanico à ̈ alimentato e l’attuatore, e/o l’attuatore ausiliario, à ̈ atto a ruotare movimentando la vite di manovra 113, e/o la vite di manovra ausiliaria, dei mezzi di regolazione.

In tal modo, il sistema non consuma alcuna energia, fintantoché le forze Fin1e Fin2sono costanti.

Secondo un altro aspetto dell’invenzione, una struttura esoscheletrica per l’assistenza alla movimentazione di almeno un arto umano, quale un braccio o una gamba, comprende almeno un dispositivo robotico per l’assistenza alla forza umana come sopra descritto.

Breve descrizione dei disegni

Ulteriori caratteristiche e/o vantaggi del dispositivo robotico per l’assistenza alla forza umana, secondo la presente invenzione, risulteranno più chiari con la descrizione che segue di una loro forma realizzativa, fatta a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni annessi in cui:

- la figura 1A mostra una forma realizzativa, secondo l’invenzione, del dispositivo robotico per la generazione di forze di assistenza o resistenza ai movimenti del corpo umano, in cui à ̈ rappresentato il meccanismo atto a generare una forza di interazione sul braccio prossimale;

- la figura 1B mostra uno schema geometrico delle forze agenti sul sistema;

- la figura 1C mostra una sezione di una forma realizzativa dei mezzi di regolazione;

- la figura 2 mostra una variante della forma realizzativa del dispositivo robotico di figura 1; - la figura 3 mostra un’altra variante della forma realizzativa del dispositivo robotico di figura 1; - la figura 3A mostra uno schema di una vista laterale della variante di figura 3, secondo la vista PP mostrata in figura 3;

- la figura 4 mostra una possibile forma realizzativa, secondo l’invenzione, del meccanismo atto a generare una forza di interazione sul braccio distale;

- la figura 5 mostra una variante della forma realizzativa del dispositivo robotico di figura 4; - la figura 6 mostra una variante della forma realizzativa del dispositivo robotico di figura 4; - la figura 6A mostra uno schema di una vista laterale della variante di figura 6, secondo la vista P’P’ mostrata in figura 6;

- la figura 7 mostra un’altra possibile forma realizzativa, secondo l’invenzione, del meccanismo atto a generare una forza di interazione sul braccio distale;

- la figura 8 mostra una variante della forma realizzativa del dispositivo robotico di figura 6; - la figura 9 mostra una variante della forma realizzativa del dispositivo robotico di figura 4, in cui à ̈ previsto un carrello ausiliario;

- la figura 10 mostra una forma realizzativa di una struttura esoscheletrica, secondo l’invenzione, comprendente almeno un dispositivo robotico.

Descrizione di una forma realizzativa preferita Con riferimento alle figure 1A e 1B, un dispositivo robotico 100 per la generazione di forze di assistenza o resistenza ai movimenti del corpo umano comprende un telaio 110 e un braccio prossimale 120.

Il telaio 110 ha un punto fisso A e un punto di articolazione O posti ad una distanza a1lungo una predeterminata direzione y.

Il braccio prossimale 120 à ̈ vincolato rotoidalmente al telaio in corrispondenza del punto di articolazione O, ed à ̈ provvisto di un punto di carico O’ posto ad una predeterminata distanza l1dal punto di articolazione O.

Solidalmente al braccio prossimale 120 si muove un asse prossimale 125, passante per i punti O e O’, e avente una determinata direzione x.

Tale asse prossimale 125 può quindi compiere, per effetto del vincolo rotoidale in O, una rotazione di ampiezza desiderata Î ̧1. Tale rotazione di ampiezza Î ̧1giace su un piano Ï€, contenente il punto fisso A e lo stesso asse prossimale 125. L’ampiezza Î ̧1à ̈ definita nulla quando la direzione x coincide con la direzione y, ed aumenta di valore quando l’asse prossimale 125 ruota in senso antiorario.

Il dispositivo robotico 100 comprende inoltre un carrello 111 vincolato sul braccio prossimale 120 in modo da poter traslare rispetto ad esso lungo la direzione x.

Si definisce il punto di bilanciamento B come un punto giacente sull’asse prossimale 125, solidale al carrello 111, e posto ad una determinata distanza di bilanciamento b1dal punto di articolazione O. La traslazione del carrello 111 lungo l’asse prossimale 125 premette quindi di modificare tale distanza di bilanciamento b1.

Al punto fisso A e al punto di bilanciamento B sono connesse le estremità di un elemento elastico allungato prossimale 160, avente una predeterminata rigidezza k1, il quale à ̈ atto a generare una forza elastica Fellungo la direzione passante per i punti A e B.

Tale forza elastica Felà ̈ data dal prodotto tra la rigidezza k1e la lunghezza c1del segmento AB. Ciò equivale, come noto, a porre una molla ideale, ovvero con lunghezza a riposo nulla, tra i punti A e B.

La forza elastica Felha l’effetto di produrre un momento di interazione Min1sul braccio prossimale 120 rispetto al punto di articolazione O. Tale momento dipenderà dalla componente di Felortogonale al segmento OB di lunghezza b1. Definendo tale componente come Felper, il momento di interazione Min1sarà dato dalla relazione:

Min1= b1* Felper= b1* Fel*sinα-Î ̧1= b1*k1*c1*[cosα*sinÎ ̧1-cosÎ ̧1*sinα] dove α à ̈ l’angolo compreso tra i segmenti OA e AB. Con riferimento alla figura 1B, possiamo dedurre le seguenti relazioni geometriche:

sinα=[b1* sinÎ ̧1]/c1

cosα=[b1* cosÎ ̧1+a1]/c1

Da cui possiamo concludere che:

Min1= a1*b1*k1*sinÎ ̧1

Il momento di interazione Min1genera a sua volta una forza di interazione Fin1agente sul braccio prossimale 120 stesso, applicata nel punto di carico O’ e parallela alla direzione y.

Tale forza di interazione Fin1, come deducibile da semplici considerazioni meccaniche, Ã ̈ correlata al momento di interazione Min1secondo la relazione:

Fin1*l1*sinÎ ̧1= Min1.

Uguagliando le due relazioni precedenti, otteniamo la relazione:

Fin1*l1= a1*b1*k1

Ovvero, l’elemento elastico allungato prossimale 160, le cui estremità sono fissate nei punti A e B, genera una forza di interazione Fin1, applicata in O’ e parallela alla direzione y, avente modulo pari a:

Fin1= a1*b1*k1/l1

Tale relazione à ̈ indipendente dal valore assunto dall’ampiezza Î ̧1, per cui, variando uno qualsiasi dei parametri a destra dell’uguaglianza, à ̈ possibile far variare la forza generata Fin1.

In particolare, considerando a1, k1e l1parametri costanti, Ã ̈ possibile variare Fin1modificando la distanza di bilanciamento b1e dunque facendo traslare il carrello 111 lungo la direzione x.

Con riferimento alla figura 1A, il dispositivo robotico 100 à ̈ provvisto inoltre di un attuatore 112 solidale al braccio prossimale 120, una vite di manovra 113 e una unità di controllo 114.

L’attuatore 112 à ̈ atto a movimentare la vite di manovra 113 in modo tale che quest’ultima faccia traslare il carrello 111 lungo la direzione x.

L’unità di controllo 114, connessa elettricamente o in wireless con l’attuatore 112, à ̈ atta a ricevere informazioni di input, elaborare tali informazioni e comandare di conseguenza l’attuatore 112.

In tal modo l’unità di controllo 114 può gestire la distanza di bilanciamento b1e dunque la forza Fin1in maniera automatica e in relazione a tali informazioni di input.

Ad esempio, se lo scopo del dispositivo robotico à ̈ quello di equilibrare una forza esterna Fext1, applicata nel punto di carico O’ e parallela alla direzione y, l’unità di controllo 114, conoscendo l’entità di tale forza Fext1, può movimentare l’attuatore 112 in modo tale che sia verificata la relazione:

Fext1= a1*b1*k1/l1

In tal modo, il sistema risulterà essere in equilibrio statico indipendentemente dal valore di Î ̧1.

In particolare, se tale forza esterna Fext1à ̈ una forza variabile, l’unità di controllo 114 può ricevere, come dato di input da sensori, dinamometri o altro, l’entità di tale forza Fext1e adeguare la distanza di bilanciamento b1, in modo tale che la suddetta relazione sia verificata sostanzialmente in tempo reale.

Con riferimento alla figura 1C, una possibile forma realizzativa del dispositivo robotico 100 prevede che la vite di manovra 113 sia una vite a ricircolo di sfere e l’attuatore 112 sia un motore elettrico.

In particolare, la vite a ricircolo di sfere 113 comprende un’anima interna 113a e una chiocciola 113b, mentre il motore elettrico 112 comprende uno statore 112a e un rotore 112b.

Lo statore 112a à ̈ solidale al braccio prossimale 120 ed accoglie al suo interno il rotore 112b. Quest’ultimo à ̈ atto a ruotare relativamente allo statore 112a attorno ad un asse di rotazione v. Il rotore 112b à ̈ solidale alla chiocciola 113a e dunque la porta in rotazione, facendo sì che le sferette 113c trasformino il moto rotazionale della chiocciola 113b in un moto traslatorio dell’anima interna 113a lungo l’asse di rotazione v. Infine, poiché l’anima interna 113a à ̈ solidale al carrello 111 non mostrato in figura 1C per semplicità grafica, la traslazione dell’anima interna 113a produce una conseguente traslazione del carrello 111 ed una variazione della distanza di bilanciamento b1.

In tale forma realizzativa, l’attuatore 112 comprende inoltre un freno elettromeccanico 112c atto a passare da una configurazione di blocco, in cui il freno elettromeccanico 112c non à ̈ alimentato e l’attuatore 112 non può movimentare il carrello 111, ad una configurazione di sblocco, in cui il freno elettromeccanico 112c à ̈ alimentato e l’attuatore 112 à ̈ atto a ruotare movimentando la vite di manovra 113.

Con riferimento alla figura 2, una variante della forma realizzativa del dispositivo robotico 110 di figura 1, comprende:

- una prima puleggia 141 imperniata con possibilità di rotazione su un asse r passante per il punto fisso A e ortogonale al piano π;

- una seconda puleggia 142 imperniata con possibilità di rotazione su un asse s passante per primo punto di bilanciamento B e ortogonale al piano π;

- una terza puleggia 143 imperniata con possibilità di rotazione su un asse t passante per il punto di articolazione O e ortogonale al piano π; Le pulegge 141, 142, 143 hanno tutte lo stesso raggio di gola R.

In tale variante, l’elemento elastico allungato prossimale 160 ha una prima estremità 160a vincolata alla gola della seconda puleggia 142 e una seconda estremità 160b vincolata al braccio prossimale 120 in corrispondenza di un primo punto di ancoraggio prossimale D.

Inoltre, l’elemento elastico allungato prossimale 160 comprende una porzione inestensibile 161, in particolare un cavo, connesso in serie ad una molla 162. Il cavo 161 à ̈ atto ad avvolgersi intorno alla prima puleggia 141, alla seconda puleggia 142 e alla terza puleggia 143, in modo tale che l’azione dell’elemento elastico allungato prossimale 160 equivalga a quella di una molla ideale, ovvero una molla con lunghezza a riposo nulla, con estremità connesse al punto fisso A e al primo punto di bilanciamento B.

In tal modo, pur non facendo uso di una molla ideale o quasi ideale, à ̈ possibile fare in modo che il valore della forza elastica Fel1generata dall’elemento elastico 160 risulti essere uguale al prodotto tra la costante elastica k1e la lunghezza del segmento AB, anche se la lunghezza a riposo della molla non à ̈ nulla.

Con riferimento alla figura 3, un’altra variante della forma realizzativa del dispositivo robotico 110 di figura 1, comprende:

- una prima puleggia 141 imperniata con possibilità di rotazione su un asse r passante per il punto fisso A e ortogonale al piano π;

- una seconda puleggia 142 imperniata, senza possibilità di rotazione rispetto al carrello 111, su un asse s passante per il primo punto di bilanciamento B e ortogonale al piano π;

- una quarta puleggia 144 imperniata con possibilità di rotazione sull’asse s passante per il primo punto di bilanciamento B e ortogonale al piano π;

- una quinta puleggia 145 imperniata con possibilità di rotazione su un asse p passante per un punto di avvolgimento prossimale C e ortogonale al piano π;

Le pulegge 141, 142, 144 hanno tutte lo stesso raggio di gola R, mentre la puleggia 145 ha raggio generico.

In tale variante, l’elemento elastico allungato prossimale 160 ha una prima estremità 160a vincolata alla gola della quarta puleggia 144 e una seconda estremità 160b vincolata al carrello 111 in corrispondenza di un secondo punto di ancoraggio prossimale E.

Analogamente alla variante di figura 2, l’elemento elastico allungato prossimale 160 comprende una porzione inestensibile 161, ad esempio un cavo, ed una molla 162, ma in questa variante il cavo 161 ha un percorso di avvolgimento differente.

Con riferimento alla figura 3A, il cavo 161 parte dalla puleggia 142 e si avvolge attorno alla puleggia 141 fino a portarsi all’altezza della puleggia 144, sovrapposta alla puleggia 142. Il percorso continua attorno puleggia 145 e termina con l’inizio della molla 162.

Analogamente alla variante di figura 2, anche in questo caso l’azione dell’elemento elastico allungato prossimale 160 equivale a quella di una molla ideale, ovvero una molla con lunghezza a riposo nulla, con estremità connesse al punto fisso A e al primo punto di bilanciamento B.

In tale variante tuttavia, l’avvolgimento suddetto attorno alle pulegge 141, 142 e 144 offre l’ulteriore vantaggio per cui l’elemento elastico 160 equivale ad una molla ideale avente una rigidezza quattro volte maggiore rispetto all’ipotetica molla ideale della variante di figura 2.

La puleggia 145 offre invece il vantaggio di consentire un conveniente posizionamento della molla 162 in modo che non interferisca con il carrello11 e/o con i mezzi di regolazione.

Con riferimento alla figura 4, una forma realizzativa del dispositivo robotico 100 comprende inoltre un braccio distale 130, una leva di bilanciamento 171 e un meccanismo di trasmissione 170.

Il braccio distale 130 à ̈ vincolato rotoidalmente al braccio prossimale 120 in corrispondenza del punto di carico O’, ed à ̈ provvisto di un secondo punto di carico O’’ posto ad una predeterminata distanza l1dal punto di carico O’.

Solidalmente al braccio distale 130 si muove un asse distale 135, passante per i punti O’ e O’’, e avente una determinata direzione z.

Tale asse prossimale 135 può quindi compiere, per effetto del vincolo rotoidale in O’, una rotazione di ampiezza desiderata Î ̧2. Tale rotazione di ampiezza Î ̧2giace su un piano parallelo al piano Ï€. L’ampiezza Î ̧2à ̈ definita nulla quando la direzione z coincide con la direzione y, ed aumenta di valore quando l’asse distale 135 ruota in senso antiorario.

La leva di bilanciamento 171 à ̈ vincolata rotoidalmente al telaio 110 nel punto di articolazione O. La leva 171 comprende un secondo punto di bilanciamento B’ posto ad una predeterminata distanza b2dal punto di articolazione O lungo un asse di bilanciamento 175. Tale asse di bilanciamento 175 ha una determinata direzione w e ruota solidalmente alla leva di bilanciamento 171.

Il meccanismo di trasmissione 170 Ã ̈ atto a movimentare la leva di bilanciamento171 in modo tale che la direzione w mantenga un angolo di ampiezza Î ̧2rispetto alla direzione x.

In particolare, il meccanismo di trasmissione 170 comprende:

- un parallelogramma articolato 172 atto a trasmettere, a monte del braccio prossimale 120, un’informazione riguardante un’ampiezza angolare Î ́ funzione dell’ampiezza angolare Î ̧2;

- un meccanismo di decodificazione 173 atto a ricevere l’informazione riguardante l’ampiezza angolare Î ́, e a movimentare la leva di bilanciamento 171 in modo tale che l’asse di bilanciamento 175 possa compiere, rispetto all’asse prossimale 125, una rotazione di ampiezza Î ̧2.

In tale soluzione realizzativa, il parallelogramma articolato 172 comprende:

- un elemento 172a, solidale al braccio distale 130, avente un punto G’ posto ad una predeterminata distanza O’G’ dal punto di carico O’ lungo una direzione g’ la quale forma un angolo di ampiezza angolare Î ́ rispetto alla direzione y;

- una leva 172c rotoidalmente connessa al telaio 110 in corrispondenza del punto di articolazione O ed avente un punto G posto ad una distanza OG, uguale alla distanza O’G’, dal punto di articolazione O lungo una direzione g;

- un’asta 172b all’ elemento 172a in corrispondenza del punto G’, e rotoidalmente connessa alla leva 172c in corrispondenza del punto G;

in cui la lunghezza del segmento GG’ à ̈ uguale alla lunghezza del segmento OO’, ovvero l1, in modo tale che la direzione g’ risulti parallela alla direzione g e che, dunque, la direzione g formi un angolo di ampiezza angolare Î ́ rispetto alla direzione y.

In tale soluzione realizzativa, la leva di bilanciamento 171 comprende una ruota dentata 171’, di diametro primitivo 2/3 Q, imperniata nel punto di articolazione O e solidale all’asse 175 di direzione w, mentre il braccio prossimale 120 comprende una ruota dentata 171’’, di diametro primitivo Q, imperniata nel punto di articolazione O e solidale al braccio prossimale 120.

Inoltre, il meccanismo di decodificazione 173 comprende:

- una leva 173a rotoidalmente connessa alla leva 172c in corrispondenza di un punto L giacente sull’asse g e posto a distanza OG dal punto di articolazione O;

- una ruota dentata 173b’, di diametro primitivo 2/3 Q, imperniata in un punto M della leva 173a con possibilità di rotazione rispetto alla leva 173a stessa;

- una ruota dentata 173b’’, di diametro primitivo Q, imperniata anch’essa nel punto M e solidale alla ruota dentata 173b’;

- una leva 173c rotoidalmente connessa alla leva 173a in corrispondenza del punto M e rotoidalmente connessa al telaio 110 in corrispondenza di un punto N posto ad una predeterminata distanza dal punto di articolazione O lungo la direzione y;

- una ruota dentata 173d’, di diametro primitivo Q, imperniata nel punto N con possibilità di rotazione;

- una ruota dentata 173d’’, di diametro primitivo 4/3 Q, imperniata nel punto N con possibilità di rotazione;

In particolare, il segmento LM ha lunghezza uguale al segmento ON e il segmento OL ha lunghezza uguale al segmento MN, in modo tale che il segmento LM rimanga sempre parallelo al segmento ON, e il segmento OL rimanga sempre parallelo al segmento MN, dando luogo di fatto ad un parallelogramma articolato OLMN.

Lo scopo del meccanismo di trasmissione 170 Ã ̈ quello di mantenere la direzione w inclinata di un angolo di ampiezza Î ̧2rispetto alla direzione x, per qualsiasi valore di Î ̧1.

Nel caso in cui Î ̧2si mantenga costante e Î ̧1cambi, il meccanismo di trasmissione 170 raggiunge il suo scopo grazie al seguente processo cinematico.

Variando Î ̧1di una quantità ΔΠ̧1, la ruota 171’’, solidale al braccio prossimale 120, ruota di ΔΠ̧1. La ruota 171’’ ingrana con la ruota 173d’ la quale ingrana con la ruota 173b’’. Quest’ultima à ̈ solidale alla ruota 173b’ e la porta in rotazione, trasmettendo il moto rotatorio alla ruota 173d’’ e quindi alla ruota 171’ solidale all’asse di bilanciamento 175. Il rapporto tra i diametri primitivi delle varie ruote fa sì che l’asse 175 ruoti esattamente di un angolo ΔΠ̧1nello stesso verso in cui ruota il braccio prossimale 120.

In tal modo l’angolo Î ̧2tra l’asse di bilanciamento 175, di direzione w, e l’asse prossimale 125, di direzione x, viene mantenuto costante, grazie al fatto che entrambi gli assi 175 e 125 variano della stessa quantità Î ̧1.

In tal modo, il meccanismo 170 si adegua al fatto che, effettivamente, il braccio distale 130 non sta ruotando e dunque Î ̧2sta rimanendo costante.

Nel caso, invece, che Î ̧1si mantenga costante e Î ̧2cambi, il meccanismo di trasmissione 170 raggiunge il suo scopo grazie al seguente processo cinematico.

Non variando Î ̧1, le ruote dentate 171’’ e 173d’ rimangono ferme.

Variando Î ̧2di una quantità ΔΠ̧2, l’elemento 172a ruota di ΔΠ̧2. Con esso, grazie al parallelogramma articolato 172, anche la leva 172c ruota attorno al punto di articolazione O di una quantità ΔΠ̧2. Grazie al parallelogramma articolato OLMN, anche la leva 173c ruota rispetto al punto N della medesima quantità ΔΠ̧2.

Essendo il punto M solidale alla leva 173c, le ruote 173b’ e 173b’’ ruotano anch’esse rispetto al punto N della stessa ampiezza ΔΠ̧2. Poiché la ruota 173d’ à ̈ ferma, la ruota 173b’’ rotola su di essa, mentre la ruota 173b’ porta in rotazione la ruota 173d’’.

Come dimostrabile, la ruota 173d’’ ruota di un angolo di ampiezza pari a ΔΠ̧2/2. La ruota 173d’’ porta in rotazione anche la ruota 171’, ma poiché la ruota 173d’’ ha raggio doppio rispetto alla ruota 171’ la rotazione della ruota 171’, e dunque dell’asse 175, avrà ampiezza esattamente pari a ΔΠ̧2.

In tal modo, anche in questo caso l’angolo Î ̧2tra l’asse di bilanciamento 175, di direzione w, e l’asse prossimale 125, di direzione x, viene mantenuto pari a Î ̧2, poiché l’asse prossimale 125 rimane fermo, mentre l’asse di bilanciamento 175 ruota esattamente di ΔΠ̧2.

Nel caso varino entrambe le ampiezze Î ̧1e Î ̧2, avremo una sovrapposizione degli effetti sopra descritti che porterà allo stesso risultato dei due casi singoli.

In tale forma realizzativa, il dispositivo robotico 100 comprende inoltre un elemento elastico allungato distale 165, di predeterminata rigidezza k2, vincolato al carrello 111 in corrispondenza del punto di bilanciamento B e alla leva di bilanciamento 171 in corrispondenza del punto B’.

Tale elemento elastico allungato distale 165, mediante il meccanismo di trasmissione 170, genera un momento di interazione Min2rispetto al punto di carico O’ agente sul braccio distale 130.

Analogamente a quanto visto per il braccio prossimale 120, tale momento Min2genera una forza di interazione Fin2applicata nel secondo punto di carico O’’ e parallela alla direzione y.

Tale forza di interazione Fin2, come deducibile da semplici considerazioni meccaniche, Ã ̈ correlata al momento di interazione Min2secondo la relazione:

Fin2*l2*sinÎ ̧2= Min2

In particolare, grazie al fatto che il segmento OB’, giacente sulla direzione w, à ̈ inclinato rispetto al segmento OB, giacente sulla direzione x, di un’ampiezza Î ̧2, il momento di interazione Min2sarà dato dalla relazione:

Min1= b2*b1*k2*sinÎ ̧2

E dunque, tale forza di interazione Fin2dipenderà dai parametri k2, l2, b2e b1secondo le relazione:

Fin1= b2*b1*k1/l1

In particolare, considerando b2, k2e l2parametri costanti, Ã ̈ possibile variare Fin2modificando la distanza di bilanciamento b1e dunque facendo traslare il carrello 111 lungo la direzione x.

Con riferimento alla figura 5, una variante della forma realizzativa del dispositivo robotico 110 di figura 4, comprende:

- una sesta puleggia 146 imperniata con possibilità di rotazione su un asse r passante per il punto fisso A e ortogonale al piano π;

- una settima puleggia 147 imperniata, con possibilità di rotazione rispetto al carrello 111, su un asse s passante per primo punto di bilanciamento B e ortogonale al piano π;

- una ottava puleggia 148 imperniata con possibilità di rotazione su un asse t passante per il punto di articolazione O e ortogonale al piano π; Le pulegge 146, 147, 148 hanno tutte lo stesso raggio di gola R.

Analogamente a quanto visto per la variante realizzativa di figura 2, l’elemento elastico allungato distale 165 ha una prima estremità 165a vincolata alla gola della settima puleggia 147 e una seconda estremità 165b vincolata al braccio prossimale 120 in corrispondenza di un primo punto di ancoraggio distale D’.

Inoltre, l’elemento elastico allungato distale 165 comprende una porzione inestensibile 166, in particolare un cavo, connesso in serie ad una molla 167. Il cavo 166 à ̈ atto ad avvolgersi intorno alla sesta puleggia 146, alla settima puleggia 147 e alla ottava puleggia 148, in modo tale che l’azione dell’elemento elastico allungato distale 165 equivalga a quella di una molla ideale, ovvero una molla con lunghezza a riposo nulla, con estremità connesse al secondo punto di bilanciamento B’ e al primo punto di bilanciamento B.

Con riferimento alla figura 6, un’altra variante della forma realizzativa del dispositivo robotico 110 di figura 4, comprende:

- una sesta puleggia 146 imperniata con possibilità di rotazione su un asse r passante per il punto fisso A e ortogonale al piano π;

- una settima puleggia 147 imperniata, senza possibilità di rotazione rispetto al carrello 111, su un asse s passante per il primo punto di bilanciamento B e ortogonale al piano π;

- una nona puleggia 149 imperniata con possibilità di rotazione sull’asse s passante per il primo punto di bilanciamento B e ortogonale al piano π;

- una decima puleggia 150 imperniata con possibilità di rotazione su un asse p passante per un punto di avvolgimento prossimale C e ortogonale al piano π;

Le pulegge 146, 147, 149 hanno tutte lo stesso raggio di gola R, mentre la puleggia 150 ha raggio generico.

In tale variante, l’elemento elastico allungato distale 165 ha una prima estremità 165a vincolata alla gola della nona puleggia 149 e una seconda estremità 165b vincolata al carrello 111 in corrispondenza di un secondo punto di ancoraggio distale E’.

Analogamente alla variante di figura 5, l’elemento elastico allungato distale 165 comprende una porzione inestensibile 166, ad esempio un cavo, ed una molla 167, ma in questa variante il cavo 166 ha un percorso di avvolgimento differente.

Con riferimento alla figura 6A, il cavo 166 parte dalla puleggia 147 e si avvolge attorno alla puleggia 146 fino a portarsi all’altezza della puleggia 149, sovrapposta alla puleggia 147. Il percorso continua attorno puleggia 150 e termina con l’inizio della molla 167.

Analogamente alla variante di figura 5, anche in questo caso l’azione dell’elemento elastico allungato distale 165 equivale a quella di una molla ideale, ovvero una molla con lunghezza a riposo nulla, con estremità connesse al secondo punto di bilanciamento B’ e al primo punto di bilanciamento B.

In tale variante tuttavia, l’avvolgimento suddetto attorno alle pulegge 146, 147 e 149 offre l’ulteriore vantaggio per cui l’elemento elastico 165 equivale ad una molla ideale avente una rigidezza quattro volte maggiore rispetto all’ipotetica molla ideale della variante di figura 5.

La puleggia 150 offre invece il vantaggio di consentire un conveniente posizionamento della molla 167 in modo che non interferisca con il carrello 111 e/o con i mezzi di regolazione. Nelle figure 7 e 8 Ã ̈ mostrata una variante della forma realizzativa di figura 4.

Le figure 7 e 8 si differenziano per avere una differente forma realizzativa dell’elemento elastico allungato prossimale 165, e delle pulegge necessarie all’avvolgimento del cavo.

In particolare, la figura 7 adotta una soluzione analoga a quella della forma realizzativa di figura 5, mentre la figura 8 adotta una soluzione analoga a quella della forma realizzativa di figure 6 e 6A.

Nella variante di figure 7 e 8, il meccanismo di trasmissione 170 comprende:

- una leva 172d, rotoidalmente connessa al braccio prossimale 120 e al braccio distale 130 in corrispondenza del punto O’’, e avente un punto G’ posto ad una predeterminata distanza O’F’ dal punto di carico O’ lungo una direzione f’ la quale forma un angolo di ampiezza angolare Î ́ rispetto alla direzione y;

- una leva 172e rotoidalmente connessa al braccio prossimale 120 in corrispondenza di un punto L;

- una leva 172f rotoidalmente connessa al braccio distale 130 in corrispondenza di un punto M, e rotoidalmente connessa alla leva 172e in corrispondenza di un punto M scorrevole rispetto alla leva 172d lungo l’asse f’.

In particolare, il segmento LM ha lunghezza uguale al segmento ON e il segmento OL ha lunghezza uguale al segmento MN, in modo tale che il segmento LM rimanga sempre parallelo al segmento ON, e il segmento OL rimanga sempre parallelo al segmento MN, dando luogo di fatto ad un parallelogramma articolato OLMN.

Da semplici considerazioni geometriche à ̈ verificabile come, sotto tali condizioni, l’angolo α risulti avere valore Ï€+Î ̧1+Î ̧2, e dunque l’angolo Î ́ ha valore [Ï€/2-Î ̧1+ Î ̧2/2] e l’angolo φ ha valore Î ̧1+ Î ̧2/2.

Inoltre, in tale forma realizzativa, il parallelogramma articolato 172 comprende:

- un leva 172h rotoidalmente connesso al telaio 110 in corrispondenza del punto di articolazione O, ed avente un punto F posto ad una distanza OF, uguale alla distanza O’F’, dal punto di articolazione O lungo una direzione f;

- un’asta 172g rotoidalmente connessa alla leva 172d in corrispondenza del punto F’ e rotoidalmente connessa alla leva 172h in corrispondenza di un punto F;

in cui la lunghezza del segmento FF’ à ̈ uguale alla lunghezza del segmento OO’, ovvero l1, in modo tale che la direzione f’ risulti parallela alla direzione f e che, dunque, la direzione f formi un angolo di ampiezza angolare Î ́ rispetto alla direzione y.

Analogamente alla soluzione di figure 5 e 6, la leva di bilanciamento 171 comprende una ruota dentata 171’, di diametro primitivo 2/3 Q, imperniata nel punto di articolazione O e solidale all’asse 175 di direzione w.

Inoltre, la leva 172h comprende una ruota dentata 172h’, di diametro primitivo Q, imperniata nel punto di articolazione O e solidale alla leva 172h.

In tale soluzione realizzativa, il meccanismo di decodificazione 173 comprende:

- una ruota dentata 173e, di diametro primitivo 4/3 Q, rotoidalmente connessa al telaio 110 in corrispondenza di un punto P;

- una ruota dentata 173e’, di diametro primitivo Q, rotoidalmente connessa al telaio 110 in corrispondenza del punto P;

Anche in questo caso, lo scopo del meccanismo di trasmissione 170 Ã ̈ quello di mantenere la direzione w inclinata di un angolo di ampiezza Î ̧2rispetto alla direzione x, per qualsiasi valore di Î ̧1.

Nel caso in cui Î ̧2si mantenga costante e Î ̧1cambi, il meccanismo di trasmissione 170 raggiunge il suo scopo grazie al seguente processo cinematico.

Variando Î ̧1di una quantità pari a ΔΠ̧1, l’angolo φ varia di ΔΠ̧1/2 e le leve 172d e 172h ruotano di tale ampiezza ΔΠ̧1/2 nello stesso verso in cui ruota il braccio prossimale 120.

Essendo solidale alla leva 172h, anche la ruota 172h’ ruota di ΔΠ̧1/2. Quest’ultima ingrana con la ruota 173e’ che à ̈ solidale alla ruota 173e e che trasmette il moto rotatorio alla ruota 171’.

Il rapporto tra i diametri primitivi delle ruote 173e e 171’ à ̈ 2, perciò la ruota 171’ compie una rotazione doppia rispetto a quella compiuta dalla ruota 173e.

Poiché la ruota 173e compie una rotazione ΔΠ̧1/2, la ruota 171’, e solidalmente anche l’asse di bilanciamento 175, compie una rotazione pari esattamente a ΔΠ̧1.

In tal modo l’angolo Î ̧2tra l’asse di bilanciamento 175, di direzione w, e l’asse prossimale 125, di direzione x, viene mantenuto costante grazie al fatto che entrambi gli assi 175 e 125 variano della stessa quantità Î ̧1. In tal modo, il meccanismo 170 si adegua al fatto che, effettivamente, il braccio distale 130 non sta ruotando e dunque Î ̧2sta rimanendo costante.

Nel caso, invece, che Î ̧1si mantenga costante e Î ̧2cambi, il meccanismo di trasmissione 170 raggiunge il suo scopo grazie al seguente processo cinematico.

Variando Î ̧2di una quantità pari a ΔΠ̧2, l’angolo φ varia ΔΠ̧2/2, e le leve 172d e 172h ruotano di tale ampiezza ΔΠ̧2/2 nello stesso verso in cui ruota il braccio distale 130.

Essendo solidale alla leva 172h, anche la ruota 172h’ ruota di ΔΠ̧2/2. Quest’ultima ingrana con la ruota 173e’ che à ̈ solidale alla ruota 173e e che trasmette il moto rotatorio alla ruota 171’.

Il rapporto tra i diametri primitivi delle ruote 173e e 171’ à ̈ 2: poiché la ruota 173e compie una rotazione ΔΠ̧2/2, la ruota 171’, e solidalmente anche l’asse di bilanciamento 175, compie una rotazione pari esattamente a ΔΠ̧2.

In tal modo, anche in questo caso l’angolo Î ̧2tra l’asse di bilanciamento 175, di direzione w, e l’asse prossimale 125, di direzione x, viene mantenuto pari a Î ̧2, poiché l’asse prossimale 125 rimane fermo, mentre l’asse di bilanciamento 175 ruota esattamente di ΔΠ̧2.

Nel caso varino entrambe le ampiezze Î ̧1e Î ̧2, avremo una sovrapposizione degli effetti sopra descritti che porterà allo stesso risultato dei due casi singoli. Con riferimento alla figura 9, una forma realizzativa del dispositivo robotico 100 prevede la presenza di un carrello ausiliario 111’, di un attuatore ausiliario 112’ e di una vite di manovra ausiliaria 113’.

In figura, tali componenti ausiliari sono mostrati sovrapposti ai componenti primari, ovvero il carrello 111, l’attuatore 112e la vite 113. Alternativamente i componenti ausiliari potrebbero essere disposti sul lato opposto del braccio prossimale.

In particolare, il carrello ausiliario 111’ à ̈ disposto scorrevolmente sul braccio prossimale 120 e comprende un terzo punto di bilanciamento B’’ posto ad una determinata seconda distanza di bilanciamento a2dal punto di articolazione O.

Analogamente al carrello 111, anche il carrello ausiliario 111’ può traslare lungo l’asse x, in modo da variare la seconda distanza di bilanciamento a2.

In maniera del tutto analoga all’attuatore 112e alla vite di manovra 113, l’attuatore ausiliario 112’ e la vite di manovra ausiliaria 113’ sono atti a movimentare il carrello ausiliario 111’.

In particolare, anche per la movimentazione del carrello ausiliario 111’ può essere prevista la forma realizzativa mostrata in figura 1C.

Nella forma realizzativa di figura 9, l’elemento elastico allungato distale 165 à ̈ vincolato al terzo punto di bilanciamento B’’ anziché al primo punto di bilanciamento B, come avviene invece per la forma realizzativa di figura 4.

Questo comporta che la forza elastica generata da tale elemento elastico distale 165 non à ̈ più dipendente dalla distanza di bilanciamento b1bensì dalla seconda distanza di bilanciamento a2.

Analogamente a quando scritto in precedenza, dunque, la forza di interazione Fin2sarà dipendente dalla seconda distanza di bilanciamento a2secondo la relazione:

Fin2= k2*b2*a2/l2

Il vantaggio di questa forma realizzativa à ̈ dato dal fatto che le due forza di interazione Fin1e Fin2possono essere modificate in maniera indipendente fra loro agendo sui due parametri b1e a2, che possono essere variati facendo traslare, rispettivamente, il carrello 111’ e il carrello ausiliario 111’.

Con riferimento alla figura 10, una struttura esoscheletrica 200 per l’assistenza alla movimentazione di almeno un arto umano prevede l’utilizzo di quattro dispositivi robotici 100 come previsti in una qualsiasi delle figure dalla 4 alla 9.

Tuttavia, à ̈ prevista anche la possibilità di realizzare una struttura esoscheletrica 200 di tipo diverso, che adotti almeno un dispositivo robotico 100 sopra descritto, con riferimento alle figure dalla 1 alla 9.

In particolare, nell’esempio mostrato in figura 10, le forze di interazione Fin1e Fin2sono atte a contrastare, in particolare equilibrare, o ad aumentare la forza peso degli arti umani.

Tale forza peso viene applicata a ciascun dispositivo robotico 100 in corrispondenza dei punti O’’, ovvero in corrispondenza dei punti di contatto tra ciascun dispositivo robotico 100 e l’arto ad esso associato.

I telai 110 di ciascun dispositivo robotico 100 sono connessi fra loro mediante una intelaiatura 105 che permette di mantenere i telai 110 in posizione sostanzialmente parallela al suolo, in modo da avere una direzione y sostanzialmente parallela alla forza peso degli arti.

Inoltre l’intelaiatura 105 permette di contenere l’unità di controllo 114 e un eventuale accumulatore che alimenti gli attuatori.

La descrizione di cui sopra di una forma realizzativa specifica à ̈ 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.

Claims (18)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un dispositivo robotico (100) per la generazione di forze di assistenza o resistenza ai movimenti del corpo umano, detto dispositivo robotico comprendendo: - un telaio (110) avente un punto fisso (A) e un punto di articolazione (O), solidali con detto telaio (110), detto punto fisso (A) essendo posto ad una predeterminata distanza (a1) da detto punto di articolazione (O); - un braccio prossimale (120), vincolato rotoidalmente a detto telaio (110) in corrispondenza di detto punto di articolazione (O), detto braccio prossimale (120) avendo un punto di carico (O’) posto ad una predeterminata distanza (l1) da detto punto di articolazione (O) lungo un asse prossimale (125), detto asse prossimale (125) avendo una determinata direzione (x) ed essendo atto a compiere una prima rotazione di ampiezza desiderata (Î ̧1), detta prima rotazione di ampiezza desiderata (Î ̧1) giacendo su un piano (Ï€) contenente detto punto fisso (A) e detto asse prossimale (125), detta prima ampiezza desiderata (Î ̧1) essendo nulla quando detta determinata direzione (x) coincide con una predeterminata direzione (y) passante per detto punto fisso (A) e per detto punto di articolazione (O); - un elemento elastico allungato prossimale (160), avente una predeterminata rigidezza (k1), vincolato a detto braccio prossimale (120) e a detto telaio (110), in modo da generare un momento di interazione (Min1) rispetto a detto punto di articolazione (O), detto momento di interazione (Min1) agendo su detto braccio prossimale (120) ed essendo atto a generare una forza di interazione (Fin1) su detto braccio prossimale (120) parallela a detta direzione (y) e applicata in corrispondenza di detto punto di carico (O’), detta forza di interazione (Fin1) essendo correlata a detto momento di interazione (Min1) secondo la relazione Fin1*l1*sin(Î ̧1) = Min1; caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre: - mezzi a carrello (111,111’) comprendenti un carrello (111), detto carrello (111) essendo disposto scorrevolmente su detto braccio prossimale (120) e avendo un primo punto di bilanciamento (B) giacente su detto asse prossimale (125), detto primo punto di bilanciamento (B) essendo posto ad una determinata distanza di bilanciamento (b1) da detto punto di articolazione (O), detto carrello (111) essendo atto a muoversi lungo detto asse prossimale (125), in modo da variare detta distanza di bilanciamento (b1); - mezzi di regolazione (112,112’,113,113’,114) atti a movimentare automaticamente detti mezzi a carrello (111,111’) lungo detto asse prossimale (125); detto momento di interazione (Min1) essendo correlato a detta distanza di bilanciamento (b1) secondo la relazione k1*a1*b1*sin(Î ̧1) = Min1, per cui detta forza di interazione (Fin1) risulta correlata a detta distanza di bilanciamento (b1) secondo la relazione Fin1= (k1*a1*b1)/l1per qualsiasi valore di Î ̧1.
2. 2. Dispositivo robotico (100) secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi di regolazione (112,112’,113,113’,114) comprendono: - un attuatore (112), in particolare un motore, solidale a detto braccio prossimale (120), atto a movimentare detto carrello (111) per variare detta distanza di bilanciamento (b1); - una unità di controllo (114) atta a ricevere informazioni di input, elaborare dette informazioni di input e comandare detto attuatore (112) per variare detta distanza di bilanciamento (b1) sulla base di dette informazioni di input.
3. 3. Dispositivo robotico (100) secondo la rivendicazione 1, in cui detto elemento elastico allungato prossimale (160) à ̈ vincolato ad una pluralità di elementi di guida (141-150) configurati per guidare detto elemento elastico allungato prossimale (160) secondo un percorso determinato.
4. 4. Dispositivo robotico (100) secondo la rivendicazione 3, in cui almeno un elemento di guida (141-150) di detta pluralità à ̈ una puleggia (141-150) provvista di una gola ed imperniata su un asse di rotazione sostanzialmente ortogonale a detto piano (Ï€), detto elemento elastico allungato prossimale (160) essendo vincolato in detta gola.
5. 5. Dispositivo robotico (100) secondo la rivendicazione 4, in cui detta pluralità di elementi di guida (141-150) comprende: - una prima puleggia (141) avente un predeterminato raggio di gola (R), detta prima puleggia (141) essendo imperniata, con possibilità di rotazione rispetto a detto telaio (110), su un asse (r) passante per detto punto fisso (A) e ortogonale a detto piano (π); - una seconda puleggia (142) avente detto predeterminato raggio di gola (R), detta seconda puleggia (142) essendo imperniata, senza possibilità di rotazione rispetto a detto carrello (111), su un asse (s) passante per detto primo punto di bilanciamento (B) e ortogonale a detto piano (π); - una terza puleggia (143) avente detto predeterminato raggio di gola (R), detta terza puleggia (145) essendo imperniata, con possibilità di rotazione rispetto a detto telaio (110), su un asse (t) passante per detto punto di articolazione (O) e ortogonale a detto piano (π); detto elemento elastico allungato prossimale (160) avendo una prima estremità (160a) vincolata a detta seconda puleggia (142) in corrispondenza di detta gola e una seconda estremità (160b) vincolata a detto braccio prossimale (120) in corrispondenza di un primo punto di ancoraggio prossimale (D), detto elemento elastico allungato prossimale (160) comprendendo una porzione inestensibile (161) e una molla (162), tra loro connesse in serie, detta porzione inestensibile (161) essendo atta ad avvolgersi intorno a detta prima puleggia (141), intorno a detta seconda puleggia (142) e intorno a detta terza puleggia (143), in modo tale che l’azione di detto elemento elastico allungato prossimale (160) sia equivalente a quella di una molla ideale, ovvero una molla con lunghezza a riposo nulla, con estremità connesse a detto punto fisso (A) e a detto primo punto di bilanciamento (B).
6. 6. Dispositivo robotico (100) secondo la rivendicazione 4, in cui inoltre detta pluralità di elementi di guida (141-150) comprende: - una prima puleggia (141) avente un predeterminato raggio di gola (R), detta prima puleggia (141) essendo imperniata, con possibilità di rotazione rispetto a detto telaio (110), su un asse (r) passante per detto punto fisso (A) e ortogonale a detto piano (π); - una seconda puleggia (142) avente detto predeterminato raggio di gola (R), detta seconda puleggia (142) essendo imperniata, senza possibilità di rotazione rispetto a detto carrello (111), su un asse (s) passante per detto primo punto di bilanciamento (B) e ortogonale a detto piano (π); - una quarta puleggia (144) avente detto predeterminato raggio di gola (R), detta quarta puleggia (145) essendo imperniata, con possibilità di rotazione rispetto a detto carrello (111), su un asse (s) passante per detto primo punto di bilanciamento (B) di detto carrello (111) e ortogonale a detto piano (π); detto elemento elastico allungato prossimale (160) avendo una prima estremità (160a) vincolata a detta seconda puleggia (142) in corrispondenza di detta gola e una seconda estremità (160b) vincolata a detto carrello (111) in corrispondenza di un secondo punto di ancoraggio prossimale (E), detto elemento elastico allungato prossimale (160) comprendendo una porzione inestensibile (161) e una molla (162), tra loro connesse in serie, detta porzione inestensibile (161) essendo atta ad avvolgersi intorno a detta prima puleggia (141), intorno a detta seconda puleggia (142) e intorno a detta quarta puleggia (144), in modo tale che l’azione di detto elemento elastico allungato prossimale (160) sia equivalente a quella di una molla ideale, ovvero una molla con lunghezza a riposo nulla, con estremità connesse a detto punto fisso (A) e a detto primo punto di bilanciamento (B), in particolare detta molla ideale avendo una rigidezza (k) tale che k = 4*k1.
7. 7. Dispositivo robotico (100) secondo la rivendicazione 6, in cui detta pluralità di elementi di guida (141-150) comprende inoltre: - una quinta puleggia (145) imperniata, con possibilità di rotazione rispetto a detto carrello (111), su un asse (p) passante per un punto di avvolgimento prossimale (C) di detto carrello (111) e ortogonale a detto piano (π); detta porzione inestensibile (161) essendo atta ad avvolgersi anche intorno a detta quinta puleggia (145).
8. 8. Dispositivo robotico (100) secondo la rivendicazione 2, in cui detti mezzi di regolazione (112,112’,113,113’,114) comprendono una vite di manovra (113) atta ad essere posta in rotazione da detto attuatore (112) per movimentare detto carrello (111) lungo detto asse prossimale (125).
9. 9. Dispositivo robotico (100), secondo una delle rivendicazioni precedenti, detto dispositivo robotico (100) comprendendo inoltre: - un braccio distale (130) vincolato rotoidalmente a detto braccio prossimale (120) in corrispondenza di detto punto di carico (O’), detto braccio distale (130) avendo un secondo punto di carico (O’’) posto ad una predeterminata distanza (l2) da detto punto di carico (O’) lungo un asse distale (135), detto asse distale (135) avendo una determinata direzione (z) ed essendo atto a compiere una seconda rotazione di ampiezza desiderata (Î ̧2), detta seconda rotazione di ampiezza desiderata (Î ̧2) giacendo su un piano parallelo a detto piano (Ï€), detta seconda ampiezza desiderata (Î ̧2) essendo nulla quando detta determinata direzione (z) coincide con detta predeterminata direzione (y); - una leva di bilanciamento (171) vincolata rotoidalmente a detto telaio (110) in detto punto di articolazione (O), detta leva di bilanciamento (171) avendo un secondo punto di bilanciamento (B’) ed essendo provvisto di un asse di bilanciamento (175) avente una determinata direzione (w), detto asse di bilanciamento (175) passando per detto punto di articolazione (O) e per detto secondo punto di bilanciamento (B’), detto secondo punto di bilanciamento (B’) essendo posto ad una predeterminata distanza (b2) rispetto a detto punto di articolazione (O); - un meccanismo di trasmissione (170) atto a movimentare detta leva di bilanciamento (171) in modo tale che detto asse di bilanciamento (175) possa compiere, rispetto a detto asse prossimale (125), una rotazione di ampiezza Î ̧2; - un elemento elastico allungato distale (165), avente una predeterminata rigidezza (k2), vincolato a detto braccio prossimale (120), a detto telaio (110) e a detta leva di bilanciamento (171), in modo da generare un momento di interazione (Min2) rispetto a detto punto di carico (O’), detto momento di interazione (Min2) agendo su detto braccio distale (130) ed essendo atto a generare una forza di interazione (Fin2) su detto braccio distale (130) parallela a detta direzione (y) e applicata in corrispondenza di detto secondo punto di carico (O’’), detta forza di interazione (Fin2) essendo correlata a detto momento di interazione (Min2) secondo la relazione Fin2*l2*sin(Î ̧2) = Min2;
10. 10. Dispositivo robotico (100), secondo la rivendicazione 9, in cui detto momento di interazione (Min2) Ã ̈ correlato a detta distanza di bilanciamento (b1) secondo la relazione k2*b2*b1*sin(Î ̧2) = Min2, per cui detta forza di interazione (Fin2) risulta correlata a detta distanza di bilanciamento (b1) secondo la relazione Fin2= (k2*b2*b1)/l2per qualsiasi valore di Î ̧2.
11. 11. Dispositivo robotico (100) secondo la rivendicazione 9, in cui detta pluralità di elementi di guida (141-150) comprende: - una sesta puleggia (146) avente un predeterminato raggio di gola (R), detta sesta puleggia (146) essendo imperniata, con possibilità di rotazione rispetto a detto telaio (110), su un asse (u) passante per detto secondo punto di bilanciamento (B’) e ortogonale a detto piano (π); - una settima puleggia (147) avente detto predeterminato raggio di gola (R), detta settima puleggia (147) essendo imperniata, senza possibilità di rotazione rispetto a detta leva di bilanciamento 171, su un asse (s) passante per detto primo punto di bilanciamento (B) e ortogonale a detto piano (π); - una ottava puleggia (148) avente detto predeterminato raggio di gola (R), detta ottava puleggia (148) essendo imperniata, con possibilità di rotazione rispetto a detto telaio (110), su un asse (t) passante per detto punto di articolazione (O) e ortogonale a detto piano (π); detto elemento elastico allungato distale (165) avendo una prima estremità (165a) vincolata a detta settima puleggia (147) in corrispondenza di detta gola e una seconda estremità (160b) vincolata a detto braccio prossimale (120) in corrispondenza di un primo punto di ancoraggio distale (D’), detto elemento elastico allungato distale (165) comprendendo una porzione inestensibile (166) e una molla (167), tra loro connesse in serie, detta porzione inestensibile (166) essendo atta ad avvolgersi intorno a detta sesta puleggia (146), intorno a detta settima puleggia (147) e intorno a detta ottava puleggia (148), in modo tale che l’azione di detto elemento elastico allungato distale (165) sia equivalente a quella di una molla ideale, ovvero una molla con lunghezza a riposo nulla, con estremità connesse a detto secondo punto di bilanciamento (B’) e a detto primo punto di bilanciamento (B).
12. 12. Dispositivo robotico (100) secondo la rivendicazione 9, in cui detta pluralità di elementi di guida (141-150) comprende: - una sesta puleggia (146) avente un predeterminato raggio di gola (R), detta sesta puleggia (146) essendo imperniata, con possibilità di rotazione rispetto a detta leva di bilanciamento 171, su un asse (u) passante per detto secondo punto di bilanciamento (B’) e ortogonale a detto piano (π); - una settima puleggia (147) avente detto predeterminato raggio di gola (R), detta settima puleggia (147) essendo imperniata, senza possibilità di rotazione rispetto a detto carrello (111), su un asse (s) passante per detto primo punto di bilanciamento (B) e ortogonale a detto piano (π); - una nona puleggia (149) avente detto predeterminato raggio di gola (R), detta nona puleggia (149) essendo imperniata, con possibilità di rotazione rispetto a detto carrello (111), su un asse (s) passante per detto primo punto di bilanciamento (B) di detto carrello (111) e ortogonale a detto piano (π); detto elemento elastico allungato distale (165) avendo una prima estremità (165a) vincolata a detta settima puleggia (147) in corrispondenza di detta gola e una seconda estremità (165b) vincolata a detto carrello (111) in corrispondenza di un secondo punto di ancoraggio distale (E’), detto elemento elastico allungato prossimale (165) comprendendo una porzione inestensibile (166) e una molla (167), tra loro connesse in serie, detta porzione inestensibile (166) essendo atta ad avvolgersi intorno a detta sesta puleggia (146), intorno a detta settima puleggia (147) e intorno a detta nona puleggia (149), in modo tale che l’azione di detto elemento elastico allungato distale (165) sia equivalente a quella di una molla ideale, ovvero una molla con lunghezza a riposo nulla, con estremità connesse a detto secondo punto di bilanciamento (B’) e a detto primo punto di bilanciamento (B), in particolare detta molla ideale avendo una rigidezza (k) tale che k = 4*k2.
13. 13. Dispositivo robotico (100) secondo la rivendicazione 12, in cui inoltre detta pluralità di elementi di guida (141-150) comprende inoltre: - una decima puleggia (150) imperniata, con possibilità di rotazione rispetto a detto carrello (111), su un asse (q) passante per un punto di avvolgimento distale (C’) di detto carrello (111) e ortogonale a detto piano (π); detta porzione inestensibile (161) essendo atta ad avvolgersi anche intorno a detta decima puleggia (150).
14. 14. Dispositivo robotico (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 13, in cui detto meccanismo di trasmissione (170) comprende: - un parallelogramma articolato (172) atto a trasmettere, a monte di detto braccio prossimale (120), un’informazione riguardante un’ampiezza angolare (Î ́) funzione di detta ampiezza angolare (Î ̧2); - un meccanismo di decodificazione (173) atto a ricevere detta informazione riguardante detta ampiezza angolare (Î ́), e a movimentare detta leva di bilanciamento (171) in modo tale che detto asse di bilanciamento (175) possa compiere, rispetto a detto asse prossimale (125), una rotazione di ampiezza Î ̧2.
15. 15. Dispositivo robotico (100) secondo la rivendicazione 9, in cui detti mezzi a carrello (111,111’) comprendono inoltre un carrello ausiliario (111’), detto carrello ausiliario (111’) essendo disposto scorrevolmente su detto braccio prossimale (120) e avendo un terzo punto di bilanciamento (B’’) giacente su detto asse prossimale (125), detto terzo punto di bilanciamento (B’’) essendo posto ad una determinata seconda distanza di bilanciamento (a2) da detto punto di articolazione (O), detto carrello ausiliario (111’) essendo atto a muoversi lungo detto asse prossimale (125), in modo da variare detta seconda distanza di bilanciamento (a2); e in cui detti mezzi di regolazione (112,112’,113,113’,114) comprendono inoltre: - un attuatore ausiliario (112’) , in particolare un motore, solidale a detto braccio prossimale (120), atto a movimentare detto carrello ausiliario (111’) per variare detta seconda distanza di bilanciamento (a2); - una vite di manovra ausiliaria (113’) atta ad essere posta in rotazione da detto attuatore ausiliario (112’) per movimentare detto carrello ausiliario (111’) lungo detto asse prossimale (125); detto momento di interazione (Min2) essendo correlato a detta seconda distanza di bilanciamento (a2) secondo la relazione k2*b2*a2*sin(Î ̧2) = Min2, per cui detta forza di interazione (Fin2) risulta correlata a detta seconda distanza di bilanciamento (a2) secondo la relazione Fin2= (k2*b2*a2)/l2per qualsiasi valore di Î ̧2.
16. 16. Dispositivo robotico (100) secondo la rivendicazione 8 o 15, in cui: - almeno una fra detta vite di manovra (113) e detta vite di manovra ausiliaria (113’) à ̈ una vite a ricircolo di sfere avente un asse di rotazione (v) parallelo a detta direzione (x), detta vite a ricircolo di sfere comprendendo un’anima interna (113a) ed una chiocciola (113b), detta anima interna (113a) essendo solidale a detti mezzi a carrello (111,111’) ed essendo atta a traslare lungo detto asse di rotazione (v), in conseguenza di una rotazione di detta chiocciola (113b) attorno a detto asse di rotazione (v); - almeno uno fra detto attuatore (112) e detto attuatore ausiliario (112’) comprende uno statore (112a), solidale a detto braccio prossimale (120), ed un rotore (112b), solidale a detta chiocciola (113b) e atto a ruotare intorno a detto asse di rotazione (v), ponendo in rotazione anche detta chiocciola (113b); in modo tale che una rotazione di detto rotore (112b) attorno a detto asse di rotazione (v) provochi una traslazione di detta anima interna (113a) lungo detto asse di rotazione (v) e dunque una traslazione di detti mezzi a carrello (111,111’) lungo detto asse prossimale (125).
17. 17. Dispositivo robotico (100) secondo la rivendicazione 2, in cui almeno uno fra detto attuatore (112) e detto attuatore ausiliario (112’) comprende un freno elettromeccanico (112c) atto a passare da una configurazione di blocco, in cui detto freno elettromeccanico (112c) non à ̈ alimentato e detto attuatore (112), e/o detto attuatore ausiliario (112’), non può movimentare detti mezzi a carrello (111,111’), ad una configurazione di sblocco, in cui detto freno elettromeccanico (112c) à ̈ alimentato e detto attuatore (112), e/o detto attuatore ausiliario (112’), à ̈ atto a ruotare movimentando detta vite di manovra (113), e/o detta vite di manovra ausiliaria (113’), di detti mezzi di regolazione (112,112’,113,113’,114).
18. 18. Una struttura esoscheletrica (200) per l’assistenza alla movimentazione di almeno un arto umano, detta struttura esoscheletrica (200) essendo caratterizzata dal fatto di comprendere almeno un dispositivo robotico (100) per l’assistenza alla forza umana secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 17.