BR102019007721B1 - Garra robótica complacente baseada em câmaras de compressão - Google Patents

Abstract

revela uma nova disposição construtiva de garra robótica mole com câmaras de compressão que prevê um corpo completamente complacente, que tem a capacidade de pegar, soltar e segurar objetos de diversas formas e tamanhos. a dita garra robótica prevê uma ou mais câmaras internas de fluido cujo formato pode ser ajustado de acordo com o tipo de deformação desejada para a câmara interna, de modo que a região com maior volume é a região em que se deseja maior deformação a fim de segurar objetos. a dita garra robótica é compreendida pelo corpo (1), construído inteiramente por materiais flexíveis. dito corpo (1) compreende uma base plana (3) da qual se projeta uma parede espessa (2), que descreve um formato geométrico como um tubo, podendo ter secção transversal circular, quadrada ou outra qualquer, conforme a aplicação que se desejar, sem descaracterizar o invento aqui revelado. a dita parede espessa (2) prevê pelo menos uma câmara interna (21) preenchida com fluido. as forças de preensão aplicadas no objeto inserido na cavidade (4) serão determinadas pela pressão aplicada nas câmaras (21), considerando que a espessura da parede interna (2") é inferior à espessura da parede externa (2').

Description

[001] Refere-se o presente documento de patente a uma garra robótica constituída completamente por materiais complacentes com funcionamento baseado na ação de câmaras de compressão. Sua operação permite pegar, soltar e segurar objetos de diversas formas, tamanhos e massas.

[002] A presente patente de privilégio de invenção é enquadrada no campo da robótica, sendo particularmente voltada para a área da robótica mole, em que sistemas completamente complacentes são utilizados para a interação com objetos quaisquer. O dispositivo proposto é uma garra robótica completamente complacente que pode ser utilizado como um instrumento para pegar, soltar e segurar objetos de diferentes formas e tamanhos, sendo possível controlar a força de preensão através da manipulação da pressão do fluido atuador.

[003] Um novo paradigma na área de robótica vem sendo desenvolvido, sendo que esta nova linha de pesquisa, denominada Robótica Mole (Soft Robotics), consiste de robôs construídos com materiais complacentes, ou seja, que incorporam uma característica física que os tornam mais próximos de serem vivos, pois fisicamente cedem naturalmente aos esforços que outros corpos lhes impõem. Particularmente nestes últimos dez anos vem se desenvolvendo este novo paradigma. Normalmente robôs são associados a estruturas rígidas, grandes, com motores e sensores individualizados, além de um sistema central microprocessado para planejamento e controle dos movimentos (Veja: VERL, A.; ALBU-SCHÃFFER, A.; BROCK, O.; RAATZ, A. Soft robotics: transferring theory to application. [s.l.] Springer, 2015.). Essa visão associada aos robôs corresponde à realidade que ainda se observa na indústria e em diversas outras aplicações nos dias de hoje. No entanto uma nova abordagem inspirada em elementos observados na natureza surgiu em tempos recentes e possibilitou a criação de uma nova área que vem sendo chamada de Robótica Mole, ou, na língua inglesa: Soft Robotics (Veja: RUS, D.; TOLLEY, M. T. Design, fabrication and control of soft robots. Nature, v. 521, n. 7553, p. 467-475, 28 maio 2015.).

[004] O desenvolvimento da robótica esteve particularmente associado à construção de máquinas que permitiam a execução de tarefas com grande precisão e velocidade na execução de procedimentos repetitivos. Em tempos recentes a robótica passou a incorporar outras características que poderiam permitir um melhor convívio em atividades em que o ser humano estivesse presente. Daí surgem os robôs colaborativos, assim como os robôs de estrutura flexível, complacente ou mole. Uma ampla revisão sobre dispositivos robóticos complacentes utilizados em manipulação de objetos foi feita recentemente, sendo este o mais completo documento disponível sobre o tema (SHINTAKE, J. et al. Soft Robotic Grippers. Advanced materials , p. e1707035, mai. de 2018.).

[005] O presente texto descreve um dispositivo robótico que utiliza apenas materiais complacentes e que possui uma estrutura baseada em uma ou mais câmaras de compressão. Sua atuação pode ser feita por um ou mais sinais em que a pressão aplicada no fluido é controlada para ajustar a força de preensão do dispositivo.

[006] As garras robóticas complacentes amplamente conhecidas, principalmente em documentos de patentes, possuem diversas formas e mecanismos de funcionamento. A solução revelada no documento EP3285976 procura reproduzir a anatomia humana, mas há uma grande dificuldade em desenvolver sistemas de sensoriamento para estas garras que possuem atuadores na forma de dedos com atuação através de materiais rígidos. Esta dificuldade implica em mecanismos em que não se pode definir e controlar a pressão aplicada na preensão de objetos, principalmente quando estes objetos são frágeis. A aplicação de força de preensão não homogênea ocasiona falhas na ação desejada, prejudicando a eficiência e eficácia da dita garra.

[007] Há soluções alternativas, como, por exemplo, o documento US9120230, que visam resolver as limitações quanto às garras com disposição construtiva com elementos que têm forma de dedos. Neste caso o dispositivo é uma esfera preenchida com material granular, que se deforma ao ser pressionado contra o objeto que se deseja agarrar. Aplicando-se uma pressão negativa no interior da garra esta mantém a forma complementar àquela do objeto a ser pego, possibilitando que o dispositivo o agarre. Apesar dessa disposição construtiva possuir uma ótima característica de aplicação de pressão no objeto sem danificá-lo, sua repetitividade depende das características da superfície externa do material que é aplicado, assim como depende do formato externo do objeto a ser agarrado.

[008] A solução revelada em US9464642 apresenta os atuadores robóticos completamente complacentes que possuem formas de dedos. Neste documento são descritas as garras produzidas com materiais elastoméricos que atuam como dedos formados por múltiplas câmaras alinhadas. O controle da pressão aplicada às câmaras que formam a estrutura construtiva do atuador proposto deforma os dedos, permitindo que estes envolvam o objeto a ser pego.

[009] O desafio no campo técnico de referência, é unir as vantagens presentes nas soluções conhecidas, obtendo uma garra eficaz na execução da tarefa de pegar objetos frágeis sem danificá-los e de forma eficiente, produzindo uma boa repetitividade independente do objeto que se deseja agarrar. Outro desafio, é o fato de produzir um dispositivo de baixo custo, que possa ser aplicado em diversas áreas.

[010] O objeto do presente pedido de patente foi desenvolvido a fim de resolver todos os problemas supracitados. O objeto desenvolvido consiste de uma estrutura completamente complacente e toda a sua superfície externa é fabricada de um mesmo material flexível e inerte, prevendo um formato que garante a captura do objeto, permitindo que este seja firmemente preso, mas mantendo uma complacência que é desejada quando se manipula com objetos frágeis.

[011] A garra robótica mole com câmaras de compressão revelada neste documento prevê um corpo completamente complacente. Os materiais que a compõem devem ser essencialmente flexíveis, podendo ser borrachas, elastômeros ou tecidos, possibilitando o uso do dispositivo em áreas em que se exige não contaminação, como indústria alimentícia, indústria farmacêutica ou em equipamentos médicos. O tipo do material escolhido estará associado à aplicação pretendida. A garra robótica mole com câmaras de compressão aqui proposta possui formato simples, permitindo alta produtividade de fabricação. A dita garra robótica prevê uma ou mais câmaras internas de fluido cujo formato pode ser ajustado de acordo com o tipo de deformação desejada para a câmara interna. Se a câmara tiver um menor volume na região mais próxima à base plana, na região mais superior, e se este volume for acrescido conforme a câmara se prolonga na direção inferior, apenas esta região será deformada consideravelmente quando é aumentada a pressão do fluido nas câmaras internas. Neste caso as câmaras terão secção triangular, no entanto as câmaras também podem assumir outras geometrias.

[012] Desta maneira, a disposição construtiva da garra robótica revelada neste documento possui uma alta capacidade de carga estática e dinâmica, pois a relação entre a carga que é capaz de segurar e o próprio peso do dispositivo assume altos valores, considerando que os materiais utilizados em sua construção são essencialmente leves. Além disso, dito dispositivo proposto possui baixa inércia, pois a massa de seu corpo é desprezível quando considerada em relação àquela do braço robótico em que estará conectada bem como em relação à própria carga que este poderá segurar. Estas características garantem alto desempenho para o robô, pois este poderá operar com menores esforços e em maiores velocidades, garantindo precisão na operação.

[013] Outro fator relevante, é o fato de que a atuação da dita garra robótica pode ocorrer em aplicações em que se exige o uso de dispositivos a prova de explosão ou intrinsecamente seguros, considerando que não existem meios de provocar a ignição de um ambiente explosivo presente em área classificadas através do uso de um dispositivo com as características reveladas. Dependendo do material complacente especificado, é possível atuar em ambientes em que a temperatura atinge uma ampla faixa. Cabe ressaltar que o dispositivo desenvolvido combina todas as vantagens e benefícios supracitados, aliado a um extremo baixo custo.

[014] A descrição que segue e as figuras associadas, a título de exemplo, farão compreender o objeto do presente pedido.

[015] A figura 1 apresenta uma vista em perspectiva da garra robótica mole com câmaras de compressão (10).

[016] A figura 2 apresenta uma vista em corte longitudinal da garra robótica mole com câmaras de compressão (10).

[017] A figura 3 apresenta uma vista inferior da garra robótica mole com câmaras de compressão (10).

[018] A figura 4 apresenta uma sequência de funcionamento da garra robótica mole com câmaras de compressão (10).

[019] A figura 5 apresenta uma vista em corte longitudinal da garra robótica mole com câmaras de compressão (10) em funcionamento, agarrando um morango.

[020] Conforme ilustrado na figura 1, a garra robótica (10) é compreendida pelo corpo (1), construído inteiramente com materiais flexíveis. Dito corpo (1) compreende uma base plana (3) da qual se projeta uma parede espessa (2), que descreve um formato geométrico como um tubo, podendo ter secção transversal circular, quadrada ou outra qualquer, conforme a aplicação que se desejar, sem descaracterizar o invento aqui revelado. A dita parede espessa (2) prevê pelo menos uma câmara interna (21) preenchida com fluido.

[021] Dita base plana (3) é fixada em uma das extremidades da dita parede espessa (2), resultando em um corpo (1) monobloco com uma cavidade (4) central. A dita parede espessa (2) possui espessura maior (2’) de um lado da câmara interna (21), do que o outro lado (2’’) da câmara interna (21), conforme a aplicação, estes lados podem ser invertidos, tanto para proporcionar o agarramento de objetos pelo seu interior, quanto pelo seu exterior. Dito corpo (1) compreende uma cavidade (4) cercada pela parede espessa (2), e a dita cavidade (4) pode prever textura com ranhuras, lisa ou qualquer rugosidade necessária a uma aplicação específica, bem como a face externa da dita parede espessa (2).

[022] Como ilustrado na figura 2, a dita câmara interna (21) de fluido prevê formato com menor volume na região mais próxima à base plana (3), e este volume é acrescido conforme a câmara se prolonga na direção oposta ao plano inferior (31) da base (3) no interior da parede espessa (2). Este formato está relacionado com a necessidade de aumento da espessura da parede interna da cavidade nas regiões mais próximas do ponto em que o dispositivo é preso ao flange do robô, e a redução da barreira de deformação na região em que o objeto será agarrado. A geometria da secção das câmaras pode assumir outros formatos, tendo em vista a eventual necessidade de ajuste do ponto de aplicação da força de preensão. O fluido é injetado na dita câmara por meio de pelo menos um canal (22) que liga o interior da câmara interna (21) ao exterior do dito corpo (1).

[023] Opcionalmente, pode ser implantado material (5) na parede espessa (2), com função de garantir que a pressão aplicada nas câmaras deforme a região desejada, interna à cavidade (4) ou externa à parede espessa (2). O material (5) pode ser um elastômero que possui uma dureza maior do que o material do dispositivo, mas pode ser também qualquer outro material complacente com dureza diferenciada, que tenha a capacidade de conter a expansão do corpo de dispositivo. A inserção do material (5) é opcional, e não altera de forma significativa a eficácia da garra robótica (10). A utilização do material (5) pode ser alcançada sem a necessidade de empregar esforços significativos, já que a estrutura da dita garra (10) é totalmente fabricada em material flexível, e possibilita inclusive, que tal material não contamine o meio de atuação, pelo fato do mesmo não estar exposto, possibilitando a utilização da garra robótica (10) em aplicações extremamente específicas, como por exemplo, submerso em um fluido.

[024] A geometria do dispositivo pode ser alterada em função da aplicação em que ele será utilizado. O comprimento de seu corpo pode ser substancialmente maior do que o seu diâmetro. A secção do dispositivo pode ser circular, como apresentado nas figuras deste documento, no entanto o atuador pode ter uma secção oval, por exemplo, com a possibilidade de pegar objetos que possuam uma secção retangular. Neste caso as câmaras de compressão podem ser dispostas de modo a permitir a melhor aplicação das forças de preensão.

[025] A fim de apresentar uma materialização, a figura 3 ilustra a vista inferior da dita garra robótica (10) com quatro câmaras internas (21), concêntricas. Na figura 5 é possível visualizar uma vista em corte longitudinal do dispositivo robótico sendo utilizado para pegar um objeto frágil (morango), destacando a complacência do equipamento proposto.

[026] O dispositivo proposto pode ser dotado de uma funcionalidade que aumenta sua capacidade de capturar um eventual objeto a ser pego, caracterizando-se por uma fonte de pressão negativa para succionar o ar presente na cavidade, garantindo uma melhor capacidade de captura e apreensão dos objetos. A pressão negativa pode ser controlada durante a operação do conjunto formado pelo braço robótico que está conectado ao dispositivo proposto. Este controle pode permitir a sucção gradual do objeto a ser pego, garantindo uma melhor preensão e maior segurança na operação do sistema.

[027] Fazendo desta maneira, obtém-se garra robótica subatuada, ou seja, sua atuação na captura dos objetos pode ser controlada por um único sinal, no caso do uso de uma única câmara interna (21). Na eventualidade do uso de mais câmaras internas (21), a atuação se mantém simplificada, pois as câmaras, apesar de poderem ser acionadas independentemente, também poderão ser acionadas por um único sinal de controle, se assim se desejar.

[028] Desta forma, para o perfeito funcionamento da garra robótica mole com câmaras de compressão (10), deve-se posicionar a mesma em torno do objeto que se deseja agarrar, de modo que esteja inserido na cavidade (4) enquanto as câmaras internas (21) estão inertes, em seguida, aumenta-se a pressão do fluido no interior das câmaras internas (21) até que a parede espessa interna (2") se deforme a ponto de aplicar forças de preensão no objeto a ser pego, conforme ilustrado nas figuras 4 e 5. Opcionalmente, a deformação pode ocorrer na parte externa da dita parede espessa (2'), dependendo da relação entre as espessuras das paredes interna e externa, possibilitando a captura de materiais a partir da inserção da garra no interior de uma cavidade no material que se deseja pegar.

[029] Cabe ressaltar que o dispositivo robótico pode ser o elemento final num braço robótico, mas também pode ser utilizado em um sistema composto por diversos dispositivos trabalhando em conjunto, para executar operações de captura simultânea de diversos objetos, tal como numa aplicação em que duas dúzias de ovos convenientemente arranjados fossem pegos simultaneamente pelo sistema. Considerando que as câmaras possuem baixo volume, a vazão de fluido será baixa, permitindo altas velocidades de atuação. Dessa forma os movimentos de contração da cavidade interna poderão ser controlados com precisão e velocidade.

[030] Pequenas variações no formato podem haver, todavia sem descaracterizar a ideia inventiva aqui apresentada que consiste em uma garra robótica construída totalmente em materiais complacentes, com um corpo inteiriço que agarra materiais frágeis sem danificá-los e com excelente confiabilidade de operação e baixo custo.

Claims (8)

1. GARRA ROBÓTICA COMPLACENTE BASEADA EM CÂMARAS DE COMPRESSÃO caracterizada por ser construída inteiramente por materiais flexíveis; e compreendida pelo corpo (1) que prevê uma base plana (3) da qual se projeta uma parede espessa (2), que descreve um formato geométrico com uma cavidade (4) central, e a dita parede espessa (2) prever pelo menos uma câmara interna (21) e um lado (2’) da dita parede espessa (2) possui espessura maior do que o outro lado (2’’) da parede espessa (2); e a dita câmara interna (21) de fluido prevê formato com menor volume na região mais próxima à base plana (3), e este volume é acrescido conforme a câmara se prolonga na direção oposta ao plano inferior (31) da base (3) no interior da parede espessa (2).

2. GARRA ROBÓTICA COMPLACENTE BASEADA EM CÂMARAS DE COMPRESSÃO, conforme reivindicação 1, caracterizado pela parede espessa (2), descrever um formato geométrico com secção transversal circular.

3. GARRA ROBÓTICA COMPLACENTE BASEADA EM CÂMARAS DE COMPRESSÃO, conforme reivindicação 1, caracterizado pela parede espessa (2), descrever um formato geométrico com secção transversal quadrada.

4. GARRA ROBÓTICA COMPLACENTE BASEADA EM CÂMARAS DE COMPRESSÃO, conforme reivindicação 1, caracterizado pela parede espessa (2), receber um material (5) menos flexível que o material do corpo (1) no seu interior.

5. GARRA ROBÓTICA COMPLACENTE BASEADA EM CÂMARAS DE COMPRESSÃO, conforme reivindicação 1, caracterizado pela câmara interna (21) ser preenchida com fluido.

6. GARRA ROBÓTICA COMPLACENTE BASEADA EM CÂMARAS DE COMPRESSÃO, conforme reivindicação 1, caracterizado pela cavidade (4) prever textura em suas paredes.

7. GARRA ROBÓTICA COMPLACENTE BASEADA EM CÂMARAS DE COMPRESSÃO, conforme reivindicação 1, caracterizado pela câmara interna (21) prever pelo menos um canal (22) que liga o interior da câmara interna (21) ao exterior do dito corpo (1).

8. GARRA ROBÓTICA COMPLACENTE BASEADA EM CÂMARAS DE COMPRESSÃO, conforme reivindicação 1, caracterizado pela cavidade (4) prever meios para promover sucção.

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