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  TitoloAttuatore pneumatico bi-direzionale
  Sommario
Il dispositivo è un attuatore pneumatico artificiale, in grado di produrre forza e movimento bi-direzionale con rigidità variabile. I muscoli pneumatici artificiali sono generalmente preferiti grazie al loro elevato rapporto potenza/peso, alla notevole leggerezza, per la facilità d'installazione, per l’utilizzo privo di rischi e con relativa conformità. Gli attuatori pneumatici esistenti sono caratterizzati da un angolo fisso tra le fibre che li rende in grado di produrre una forza di trazione unidirezionale quando attuati, quindi soltanto di contrarsi o espandersi. Questo muscolo artificiale al contrario permette sia di contrarsi che di espandersi, oltre che farlo a rigidità variabile.
  Stato della tecnica
Lo stato dell’arte più vicino è rappresentato dal muscolo artificiale tipo McKibben. Un muscolo McKibben è in grado di contrarsi, espandersi o rimanere bloccato ma l’azione che svolge dipende dalla disposizione iniziale delle maglie che ne costituiscono la struttura esterna. Pertanto un muscolo costruito per la contrazione non sarà in grado di allungarsi e viceversa, così come un muscolo che quando attuato si irrigidisce, non potrà mai modificare la propria estensione.
  Invenzione
I muscoli pneumatici artificiali sono di solito costituiti da una camera elastomerica cilindrica vuota ricoperta da un manicotto intrecciato, costituito da fibre in materiale non estensibile e disposte in una configurazione elicoidale anti-simmetrica. La camera interna vuota e il manicotto intrecciato sono sigillate e fissate a raccordi rigidi, che presentano un passaggio per pressurizzare la camera elastica. L’energia viene quindi trasferita ad un sistema esterno attraverso questi terminali. Il funzionamento dell’attuatore Bi-Direzionale si basa sugli stessi principi dei menzionati tradizionali muscoli pneumatici, ma grazie ad alcune modifiche fondamentali si può modificare l'angolo iniziale tra le fibre in modo indipendente. A seconda dell'angolo tra le fibre, l'attuatore è in grado di estendersi e contrarsi, e modificando l'angolo iniziale tra le fibre, si riesce a ottenere una rigidità variabile in ogni punto lungo la corsa totale dell'attuatore. Con la tecnologia tradizionale per ottenere un sistema in grado di sostituire un muscolo che ha subito un trauma è necessario associare due muscoli uno in grado di contrarsi, uno di espandersi. Con la seguente invenzione è possibile effettuare lo stesso movimento utilizzando un solo muscolo, con una evidente riduzione dello spazio (vedi figura ortesi per braccio).
  TitolaritàScuola Superiore Sant‘Anna; Istituto Italiano di Tecnologia
  Proprietà industrialeBrevetto in Europa n. EP16756793.2; Brevetto in USA n. US2018185173; Brevetto in Cina n. CN107809984; Brevetto in Giappone n. JP2018527963; Brevetto in Italia n. IT2015UB01717
  E-mail di contattomarco.casarosa@santannapisa.it
  TagsAutomazione Industriale, biorobotica, robotica riabilitativa, attuatori pneumatici, muscoli pneumatici artificiali
  Vantaggi
Compatibile per l’interazione uomo-macchina dal punto di vista della sicurezza; Elevato rapporto potenza/peso; Forza e moto bi-direzionali; In grado di ottenere rigidità massima e variabile in ogni punto lungo la corsa totale dell'attuatore; Non è necessario un allineamento preciso durante l'installazione grazie alla flessibilità del corpo dell'attuatore.
  Applicazioni
a) Robotica riabilitativa: protesi robotiche o dispositivi per la riabilitazione; b) manipolazione, locomozione e automazione industriale;c) Controllo automatico delle valvole; d) articolazione meccanica semplice conseguentemente più leggera, dove il muscolo può anche essere utilizzato per controllare la rigidità del giunto rotante stesso.
  Stadio di sviluppo
Il prototipo è stato testato in laboratorio sottoposto ad una pressione di 1bar e conseguente forza generata pari a 40/80N. In termini di spostamento, è stata ottenuto uno spostamento complessivo >40% della lunghezza totale dell'attuatore. Tale spostamento di forza è compatibile con la forza esercitata da una coppia di attuatori pneumatici antagonisti, che supportano un braccio robotico di 10 kg in un esoscheletro che assiste un lavoratore, ad es. nel settore automazione industriale. È stato anche testato come driver di un'articolazione a rigidità variabile basata su un meccanismo a 4 barre, in grado di convertire il movimento lineare del muscolo in rotatorio dell'articolazione. In questa configurazione il muscolo bidirezionale agisce simultaneamente come principale motore del meccanismo e come ammortizzatore/dissipatore di energia, in caso di carico d'impatto sul giunto.
  Immagine n° 1
  Immagine n° 2
  Immagine n° 3

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