ITTO20090042A1 - Attuatore lineare e dispositivo di riabilitazione incorporante tale attuatore. - Google Patents

Description

"Attuatore lineare e dispositivo di riabilitazione incorporante tale attuatore"

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce a un attuatore lineare, e più in particolare a un attuatore lineare elettromeccanico comprendente fondamentalmente un motore elettrico, o un gruppo motore elettrico e riduttore, un pistone od organo di uscita scorrevole e un meccanismo di conversione del moto atto a convertire il moto rotatorio prodotto dal motore elettrico in moto traslatorio del pistone.

Scopo dell'invenzione à ̈ realizzare un attuatore lineare che sia in grado allo stesso tempo di generare sul pistone elevate forze assiali (cioà ̈ forze agenti nella stessa direzione del moto del pistone) e di movimentare il pistone ad elevata velocità, che sia di dimensioni compatte e che sia reversibile (o retro-guidabile), cioà ̈ che sia in grado non solo di comandare spostamenti assiali del pistone in entrambi i versi, ma anche di subire spostamenti assiali del pistone in entrambi i versi per effetto dell'applicazione di un carico esterno.

Questo e altri scopi sono pienamente raggiunti secondo la presente invenzione grazie a un attuatore lineare avente le caratteristiche definite nell'annessa rivendicazione indipendente 1.

Forme di attuazione preferite dell'invenzione sono specificate nelle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto à ̈ da intendere come parte integrale e integrante della presente descrizione.

In sintesi, l'invenzione si fonda sull'idea di realizzare un attuatore lineare del tipo sopra specificato, in cui il meccanismo di conversione del moto comprende una puleggia motrice montata sull'albero di uscita del motore elettrico, o del gruppo motore elettrico e riduttore, e un cavo flessibile avvolto sulla puleggia motrice, le opposte estremità del cavo flessibile essendo fissate al pistone da parti assialmente opposte di questo rispetto alla puleggia motrice ed estendendosi parallelamente alla direzione di traslazione del pistone. Grazie al fatto di impiegare un meccanismo di conversione del moto a cavo flessibile, in cui le opposte estremità del cavo sono fissate al pistone da parti assialmente opposte rispetto alla puleggia motrice e si estendono parallelamente alla direzione di traslazione del pistone, si ottiene un attuatore lineare che à ̈ in grado di sviluppare elevate forze assiali, unitamente a elevate velocità di traslazione assiale, e che à ̈ inoltre reversibile (o retro-guidabile), cioà ̈ in grado non solo di comandare spostamenti assiali del pistone in entrambi i versi, ma anche di subire spostamenti assiali del pistone in entrambi i versi per effetto dell'applicazione di un carico esterno (avente una componente diretta lungo l'asse del pistone).

Secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, l'asse di rotazione dell'albero di uscita del motore elettrico, o del gruppo motore elettrico e riduttore, su cui à ̈ montata la puleggia motrice à ̈ orientato parallelamente alla direzione assiale dell'attuatore, cioà ̈ alla direzione di traslazione del pistone. In questo caso, il meccanismo di conversione del moto include inoltre almeno una coppia di pulegge di rinvio associate ciascuna a un rispettivo tratto di cavo flessibile. L'adozione di un orientamento dell'asse del motore elettrico parallelo alla direzione di traslazione del pistone consente di minimizzare l'ingombro complessivo dell'attuatore.

In alternativa, l'asse di rotazione del motore elettrico, o del gruppo motore elettrico e riduttore, su cui à ̈ montata la puleggia motrice può essere orientato perpendicolarmente alla direzione assiale dell'attuatore. Ciò consente di fare a meno delle pulegge di rinvio, a fronte però di un aumento dell'ingombro complessivo dell'attuatore.

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

la figura 1 Ã ̈ una vista prospettica di un attuatore lineare secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione;

la figura 2 Ã ̈ una vista prospettica che mostra in dettaglio il meccanismo di conversione del moto dell'attuatore lineare della figura 1;

la figura 3 Ã ̈ una vista dall'alto dell'attuatore lineare della figura 1;

la figura 4 à ̈ una vista in sezione dell'attuatore lineare secondo la linea IV-IV della figura 3; la figura 5 à ̈ una vista in sezione dell'attuatore lineare secondo la linea V-V della figura 3; la figura 6 à ̈ una vista prospettica che mostra in dettaglio una porzione di estremità assiale del pistone dell'attuatore lineare della figura 1;

la figura 7 Ã ̈ una vista prospettica di un attuatore lineare secondo una variante di realizzazione della presente invenzione;

la figura 8 Ã ̈ una vista prospettica di un dispositivo di riabilitazione, in particolare di un dispositivo di riabilitazione per la cura degli infortuni della caviglia, incorporante tre attuatori lineari del tipo di quello illustrato nelle figure dalla 1 alla 6; e

la figura 9 Ã ̈ un diagramma schematico che mostra la geometria del dispositivo di riabilitazione della figura 8.

Nella descrizione e nelle rivendicazioni che seguono, i termini "assiale" e "longitudinale" sono utilizzati per individuare la direzione del moto di traslazione del pistone od organo di uscita dell'attuatore lineare, mentre i termini "radiale" o "trasversale" sono utilizzati per indicare una direzione giacente in un piano perpendicolare alla suddetta direzione assiale o longitudinale.

Con riferimento alle figure dalla 1 alla 6, un attuatore lineare secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione à ̈ complessivamente indicato con 10 e comprende:

un involucro o cilindro cavo 12, di qui in avanti semplicemente indicato come cilindro;

un organo di uscita o pistone 14, di qui in avanti semplicemente indicato come pistone, alloggiato in una cavità 16 del cilindro 12 in modo scorrevole nella direzione dell'asse del cilindro;

un motore elettrico 18, o meglio un gruppo motore elettrico e riduttore, montato sul cilindro 12 e avente un albero motore 20 disposto con il proprio asse parallelo all'asse del cilindro 12; e un meccanismo di conversione del moto 22 interposto fra l'albero motore 20 e il pistone 14 per convertire il moto rotatorio, in un verso o nell'altro, del primo intorno al proprio asse in moto traslatorio, in un verso o nell'altro, del secondo lungo la suddetta direzione assiale.

Come meglio osservabile nella vista di dettaglio della figura 2, il meccanismo di conversione del moto 22 comprende una puleggia motrice 24 calettata sull'albero motore 20 per essere comandata in rotazione da questo, e un cavo flessibile 26 ac colto in una scanalatura elicoidale prevista sulla superficie laterale della puleggia motrice 24 e avente le sue opposte estremità fissate al pistone 14 da parti assialmente opposte di questo rispetto alla puleggia motrice 24 e correnti parallelamente alla direzione assiale del pistone 14. Il cavo flessibile 26 à ̈ vantaggiosamente costituito da un cavo multitrefolo in acciaio, in modo da essere in grado di trasmettere elevate forze di trazione. Secondo tale forma di realizzazione, in cui la puleggia motrice 24 à ̈ disposta con il proprio asse parallelo alla direzione assiale del pistone 14, il meccanismo di conversione del moto 22 comprende inoltre una coppia di pulegge di rinvio 28 interposte fra la puleggia motrice 24 e il pistone 14 e associate ciascuna a un rispettivo tratto del cavo 26 per deviarne la direzione da radiale (o approssimativamente radiale) ad assiale. Le due pulegge di rinvio 28 sono montate folli su rispettivi perni 30 portati da una struttura di supporto 32 fissata al cilindro 12. Come meglio osservabile nella vista in sezione della figura 5, gli assi delle due pulegge di rinvio 28 sono vantaggiosamente inclinati l'uno rispetto all'altro, in maniera tale per cui le due pulegge di rinvio 28 sono disposte a guisa di V convergente verso il pistone 14, il che consente di ridurre l'interasse fra albero motore 20 e pistone 14 e dunque di rendere l'attuatore lineare 10 complessivamente più compatto.

Come risulta in particolare dalla vista in sezione della figura 4, il pistone 14 sporge con una sola delle sue porzioni di estremità assiali da un'apertura 32 del cilindro 12, preferibilmente rivolta assialmente dalla stessa parte della puleggia motrice 24. Il pistone 14 à ̈ un pezzo cilindrico, preferibilmente a sezione piena, sul cui lato rivolto verso la puleggia motrice 24 à ̈ realizzata una spianatura 34 che si estende per tutta la lunghezza del pistone. Alle opposte estremità del pistone 14, in corrispondenza della spianatura 34, sono previsti rispettivi incavi 36 in cui sono accolti rispettivi organi terminali 38 per il fissaggio delle estremità del cavo 26 al pistone. Uno dei due organi terminali 38, in particolare quello montato all'estremità del pistone 14 al di fuori del cilindro 12, à ̈ ben osservabile nella figura 6. Come si può evincere da tale figura, secondo una forma di realizzazione preferita dell'invenzione, l'organo terminale 38 à ̈ montato assialmente scorrevole nell'associato incavo 36 in modo da consentire di regolarne la posizione assiale, e dunque di recuperare eventuali giochi, a mezzo di una vite di regolazione 40. Per guidare il pistone 14, sopportando i carichi radiali/trasversali dovuti al fatto che i tratti del cavo 26 che corrono lungo il pistone non sono allineati con l'asse di questo, sono previsti una coppia di cuscinetti lineari 42 (figura 4).

L'attuatore lineare 10 include inoltre un sensore di posizione 44 atto a fornire un segnale indicativo della posizione lineare del pistone 14. Nella forma di realizzazione illustrata, il sensore di posizione 44 à ̈ un encoder incrementale, ma può ovviamente essere di altro tipo. L'attuatore lineare 10 include inoltre preferibilmente anche una cella di carico posta all'estremità del pistone 14 fuoriuscente dal cilindro 12 per fornire un segnale indicativo della forza assiale prodotta dall'attuatore.

Il funzionamento dell'attuatore lineare 10 secondo l'invenzione risulterà ovvio alla luce della precedente descrizione della sua struttura. E' dunque sufficiente dire che a seguito della rotazione della puleggia motrice 24 in un verso o nell'altro sotto il comando da parte del gruppo motore elettrico e riduttore 18, ogni volta uno dei due tratti liberi del cavo flessibile 26 viene avvolto sulla puleggia e dunque tira con sé l'associata estremità del pistone 14, provocandone così l'estrazione (nel caso del tratto di cavo associato all'estremità del pistone contenuta all'interno della cavità 16 del cilindro 12) o rispettivamente la ritrazione (nel caso del tratto di cavo associato all'estremità del pistone all'esterno del cilindro 12).

Il numero di spire del cavo flessibile 26 sulla puleggia motrice 24 può essere scelto a piacere, tenendo conto che maggiore à ̈ il numero di spire minore à ̈ la tendenza allo slittamento del cavo sulla puleggia, cioà ̈ maggiore à ̈ la "rigidezza" dell'attuatore. La corsa massima dell'attuatore lineare 10 può essere aumentata o diminuita aumentando o rispettivamente diminuendo il diametro della puleggia motrice 24.

Una variante di realizzazione dell'attuatore lineare secondo la presente invenzione à ̈ illustrata nella figura 7, in cui a parti ed elementi identici o corrispondenti a quelli delle figure precedenti sono stati attribuiti i medesimi numeri di riferimento. Secondo tale variante, il gruppo motore elettrico e riduttore 18 à ̈ disposto con il proprio asse (asse dell'albero motore 20) perpendicolarmente alla direzione assiale del pistone 14. Una tale disposizione consente chiaramente di fare a meno delle pulegge di rinvio, dato che i due tratti liberi del cavo flessibile "escono" dalla puleggia motrice 24 già parallelamente alla direzione assiale, ma comporta inevitabilmente un ingombro complessivo maggiore dell'attuatore lineare.

Un possibile esempio di applicazione di un attuatore lineare secondo la presente invenzione à ̈ rappresentato dal settore dei sistemi robotici di riabilitazione.

Oggigiorno, à ̈ sempre più diffuso l'impiego di sistemi robotici nel campo della riabilitazione fisica, dal momento che essi consentono, in combinazione con ambienti di realtà virtuale, di qualificare e soprattutto quantificare il livello di recupero da un infortuni, migliorando in tal modo gli attuali protocolli di riabilitazione e aiutando a definirne di più efficaci. Più specificamente, i sistemi robotici di riabilitazione consentono ai pazienti di eseguire con intensità e in piena autonomia un'ampia gamma di esercizi, fornendo ai fisioterapisti strumenti per il trattamento dei pazienti con una minima supervisione e dunque con una massima efficienza.

In particolare, forma ulteriore oggetto della presente invenzione un dispositivo di riabilitazione a cinematica parallela a due gradi di libertà per la cura degli infortuni della caviglia che abbia il vantaggio di una maggiore semplicità dal punto di vista meccanico e cinematico rispetto agli attuali dispositivi di riabilitazione a cinematica parallela a più gradi di libertà e che allo stesso tempo sia pienamente in grado di consentire l'esecuzione di tutti gli esercizi richiesti nei protocolli di riabilitazione per la cura degli infortuni della caviglia.

Con riferimento alla figura 8, un dispositivo di riabilitazione secondo la presente invenzione à ̈ complessivamente indicato con 100 e comprende fondamentalmente:

una base di supporto 102;

una piattaforma mobile 104 sulla quale il piede del paziente può essere fissato per mezzo di nastri di fissaggio 106 con chiusure Velcro;

un montante centrale 108 che à ̈ fissato alla sua estremità inferiore alla base di supporto 102 ed à ̈ collegato alla sua estremità superiore alla piattaforma mobile 104 mediante giunto universale; e

tre gambe "attive" comprendenti ciascuna un attuatore lineare 110 del tipo di quello precedentemente descritto con riferimento alle figure dalla 1 alla 6, l'attuatore lineare 110 avendo un cilindro 112 collegato inferiormente mediante giunto universale alla base di supporto 102 e un pistone 114 collegato superiormente alla piattaforma mobile 104 mediante giunto sferico, in maniera tale per cui i punti di collegamento degli attuatori 110 alla base di supporto 102 sono equidistanziati lungo una prima circonferenza e i punti di collegamento degli attuatori 110 alla piattaforma mobile 104 sono equidistanziati lungo una seconda circonferenza, avente nell'esempio illustrato diametro minore rispetto alla prima.

Per effetto del collegamento al montante centrale 108 mediante giunto universale, la piattaforma mobile 104 presenta due gradi di libertà rotazionali, corrispondenti ai due movimenti principali della caviglia, vale a dire i movimenti di flessione dorso-plantare e di inversione/eversione. L'impiego di tre attuatori lineari 110 per il controllo dell'orientamento della piattaforma mobile 104 a due gradi di libertà rende quindi il dispositivo di riabilitazione sovra-attuato, cioà ̈ attuato in modo ridondante, con il vantaggio che il dispositivo à ̈ in grado di funzionare anche in caso di danneggiamento di uno dei tre attuatori lineari.

La figura 9 mostra la geometria del dispositivo di riabilitazione della figura 8. Con A1, A2e A3sono rispettivamente indicati i punti di collegamento (mediante giunti universali) dei tre attuatori lineari 110 alla base di supporto 102, mentre con B1, B2e B3sono rispettivamente indicati i punti di collegamento (mediante giunti sferici) dei tre attuatori lineari 110 alla piattaforma mobile 104. Il centro della base di supporto 102, ovvero il centro della circonferenza su cui giacciono angolarmente equidistanziati i punti A1, A2e A3, à ̈ indicato con O, mentre il centro della piattaforma mobile 104, ovvero il centro della circonferenza su cui giacciono angolarmente equidistanziati i punti B1, B2e B3, à ̈ indicato con P. Il punto O corrisponde al punto di fissaggio del montante centrale 108 alla base di supporto 102. Il centro P della piattaforma mobile 104 coincide con un punto P0di collegamento (mediante giunto universale) del montante centrale 108 alla piattaforma mobile 104. I due gradi di libertà rotazionali della piattaforma mobile 104 sono indicati rispettivamente con α e β.

I principali parametri geometrici del dispositivo di riabilitazione sono rappresentati dall'altezza della piattaforma mobile 104, pari alla distanza fra i punti O e P (cioà ̈ P0), il raggio della base di supporto 102, ovvero il raggio della circonferenza su cui sono posti i punti di collegamento (giunti universali) fra le gambe e la base stessa, il raggio della piattaforma mobile 104, ovvero il raggio della circonferenza su cui sono posti i punti di collegamento (giunti sferici) fra le gambe e la piattaforma stessa, e la corsa degli attuatori lineari 110. Com'à ̈ ovvio, maggiore à ̈ il raggio della piattaforma mobile 104 maggiore à ̈ la coppia generata dal dispositivo e minore à ̈ lo spazio di lavoro. D'altra parte, maggiore à ̈ l'altezza del dispositivo maggiore deve essere la corsa degli attuatori lineari 110 per ottenere un dato campo di movimento e maggiori saranno di conseguenza le dimensioni del dispositivo.

Di seguito sono forniti i valori dei suddetti parametri geometrici scelti in un esempio di realizzazione preferito del dispositivo, fermo restando che tali valori sono puramente indicativi e sono suscettibili di essere ampiamente modificati a seconda delle specifiche dettate ogni volta dalla particolare applicazione.

Come altezza del dispositivo à ̈ stato scelto il valore di 0,3 m per consentire al paziente di posare il piede sulla piattaforma mobile mentre à ̈ seduto su una normale sedia. La corsa massima degli attuatori lineari à ̈ stata fissata in 0,1 m, con una lunghezza delle gambe variabile quindi fra 0,277 m e 0,377 m con un valore medio di 0,327 m. Con tale valore di corsa, lo spazio di lavoro (luogo delle combinazioni di angoli α e β ottenibili con il dispositivo di riabilitazione) massimo si ha con un raggio della piattaforma mobile minore del raggio della base di supporto. In particolare, sono stati scelti per il raggio della piattaforma mobile e per il raggio della base di supporto i valori di 0,085 m e rispettivamente 0,125 m. Per quanto concerne il dimensionamento del gruppo motore elettrico e riduttore di ciascun attuatore lineare, à ̈ stato valutato che la forza massima che deve essere prodotta da ciascun attuatore lineare per consentire al dispositivo di riabilitazione l'esecuzione di tutti gli esercizi richiesti nelle varie fasi del processo riabilitativo à ̈ pari a 636,5 N. Dal momento che la corsa massima degli attuatori lineari deve essere ottenuta con una rotazione della puleggia motrice dell'ordine di 1,5 giri al massimo, al fine di evitare che il cavo flessibile scappi fuori dalla rispettiva scanalatura sulla puleggia motrice, il raggio della puleggia motrice à ̈ stato fissato in 0,01 m. La coppia erogabile dal gruppo motore elettrico e riduttore di ciascun attuatore lineare per ottenere il suddetto valore di forza massima con una puleggia motrice del suddetto diametro à ̈ dunque pari a 6,365 Nm. Per ottenere tale valore di coppia à ̈ stato scelto un motore elettrico in corrente continua con spazzole prodotto dalla Maxon (Mod. RE40) associato a un riduttore epicicloidale con rapporto di riduzione 12:1. Per quanto riguarda infine il cavo flessibile degli attuatori lineari, à ̈ stato scelto un cavo di acciaio multitrefolo 7 x 19 del diametro di 1,5 mm, in grado di reggere un carico massimo di 1.500 N.

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

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Attuatore lineare elettromeccanico (10) comprendente mezzi motori elettrici (18, 20) atti a produrre un moto rotatorio, un organo di uscita allungato (14) scorrevole lungo una direzione assiale e un meccanismo di conversione del moto (22) atto a convertire il moto rotatorio prodotto da detti mezzi motori (18, 20) in moto traslatorio dell'organo di uscita (14), laddove detto meccanismo di conversione del moto (22) comprende una puleggia motrice (24) comandabile in rotazione da detti mezzi motori (18, 20) e un cavo flessibile (26) avvolto sulla puleggia motrice (24) e avente le sue opposte estremità fissate all'organo di uscita (14) da parti assialmente opposte di questo rispetto alla puleggia motrice (24) e correnti parallelamente alla direzione assiale dell'organo di uscita (14).
2. 2. Attuatore secondo la rivendicazione 1, in cui l'asse della puleggia motrice (24) Ã ̈ disposto parallelamente alla direzione assiale dell'organo di uscita (14) e in cui il meccanismo di conversione del moto (22) comprende inoltre una coppia di pulegge di rinvio (28) interposte fra la puleggia motrice (24) e l'organo di uscita (14) per deviare ciascuna la direzione di un rispettivo tratto del cavo (26) da radiale, o approssimativamente radiale, ad assiale.
3. 3. Attuatore secondo la rivendicazione 2, in cui le pulegge di rinvio (28) sono inclinate l'una rispetto all'altra in modo da convergere verso l'organo di uscita (14).
4. 4. Attuatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un involucro cavo (12) in cui à ̈ parzialmente alloggiato l'organo di uscita (14) e su cui sono supportati detti mezzi motori (18, 20).
5. 5. Attuatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'organo di uscita (14) à ̈ un pezzo cilindrico sul cui lato rivolto verso la puleggia motrice (24) à ̈ realizzata una spianatura (34) che si estende per tutta la lunghezza dell'organo di uscita (14) e alle cui opposte estremità assiali sono previsti rispettivi incavi (36) in cui sono accolti rispettivi organi terminali (38) per il fissaggio delle estremità del cavo (26) all'organo di uscita (14).
6. 6. Attuatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi motori (18, 20) sono formati da un gruppo motore elettrico e motoriduttore avente un albero motore (20) su cui à ̈ montata in modo solidale a rotazione la puleggia motrice (24).
7. 7. Attuatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un sensore di posizione (44) atto a fornire un segnale indicativo della posizione lineare dell'organo di uscita (14).
8. 8. Attuatore secondo la rivendicazione 7, in cui detto sensore di posizione (44) Ã ̈ un sensore di posizione angolare atto a rilevare la posizione angolare della puleggia motrice (24).
9. 9. Attuatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre una cella di carico posta all'estremità dell'organo di uscita (14) per fornire un segnale indicativo della forza assiale prodotta dall'attuatore.
10. 10. Dispositivo di riabilitazione a cinematica parallela (100), particolarmente per la riabilitazione degli infortuni della caviglia, comprendente una base di supporto (102), una piattaforma mobile (104), un montante centrale (108) che à ̈ fissato alla sua estremità inferiore alla base di supporto (102) ed à ̈ collegato alla sua estremità superiore alla piattaforma mobile (104) in modo da consentire a questa di ruotare almeno intorno a due assi perpendicolari; e tre attuatori lineari (110) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, interposti fra la base di supporto (102) e la piattaforma mobile (104) per comandare il movimento di questa secondo prestabiliti profili di posizione e di coppia.