ES2253960A1 - Mejoras en la patente principal p200201666 "robot paralelo trepador y deslizante para trabajos en estructuras y superficies". - Google Patents
Mejoras en la patente principal p200201666 "robot paralelo trepador y deslizante para trabajos en estructuras y superficies".Info
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Abstract
Mejoras en la patente principal P200201666 "robot paralelo trepador y deslizante para trabajos en estructuras y superficies". La presente invención se refiere a un robot submarino de estructura paralela consistente en la mejora o desarrollo de la patente principal P200201666 "robot paralelo trepador y deslizante para trabajos en estructuras y superficies" a la navegación teleoperada bajo el agua. El desarrollo que se presenta consiste en adosar a cada anillo del robot (1) y (2) las aletas (7) para el control de la estabilidad y la navegación bajo el agua. El robot submarino, dispone de motores impulsores (4) que van ensamblados en los anillos (1) y (2) y que le permiten propulsarse, así como brazos manipuladores (9) más un sistema de control por computador alojado en los anillos (1) y (2).
Description
Mejoras en la patente principal P200201666:
"Robot paralelo trepador y deslizante para trabajos en
estructuras y superficies".
Robots para trabajos submarinos de estructura
paralela teleoperados que pueden cambiar su configuración
geométrica para aumentar su capacidad de maniobra frente a las
corrientes marinas y para acceder al interior de recintos marinos a
través de cavidades, con dispositivos para toma de datos marinos y
brazos manipuladores adosados para la manipulación de objetos y
trabajos marinos.
La mayor parte de los robots submarinos
comerciales son guiados con un cable y son controlados remotamente,
usualmente se les conoce como ROV (Remotely Opered Vehicles,
Vehículos Operados Remotamente). También existen robots autónomos,
es decir, sin ser guiados ni por un cable ni por un operador. A
estos robots se les conoce como AUV (Autonomous Underwater
Vehicles, Vehículos Submarinos Autónomos).
Haciendo historia, puede decirse que el
desarrollo de los vehículos submarinos autónomos comenzó en la
década de los 60 con vehículos como el Rebikoff' Sea Spook
construido por la Universidad de Washington. A este le siguieron
otros como el Skat del Shirshov Institue of Oceanology
(Rusia), o el OSR-V japonés.
Desafortunadamente, la mayoría de estos AUV eran muy grandes,
ineficientes y demasiado caros. Esto hizo que en la década de los 80
los ROVs fueran ganando espacio frente a los AUV quedándose estos
últimos en una pobre etapa de desarrollo; actualmente, aún hay
muchos temas cruciales que necesitan solución para la efectiva
aplicación de los AUV, uno de ellos es el diseño de tecnologías
robustas de comunicación y alimentación, otro de los problemas de
los vehículos AUV es el posicionamiento en el sitio deseado.
Las principales ventajas del empleo de la
tecnología ROV en el ambiente marino son:
- Experiencia. Son muchos los años de experiencia
en la operación de vehículos ROV en cuanto a propósitos de
intervención, por ejemplo, se ha usado tecnología y vehículos ROV
para tareas de intervención en la industria del petróleo desde
principios de los años sesenta. Ésta es la tecnología más aceptada,
quizás la única tecnología realmente aceptada, para este tipo de
intervenciones.
- El ROV se conecta directamente a la embarcación
de la superficie o a través de un sistema de manejo del cable, esto
hace que no exista ningún problema de conexión en el traslado de
los datos de las operaciones entre el vehículo y el dispositivo de
control.
- Fuente de Alimentación. El ROV se conecta
directamente a la embarcación de la superficie por un cable de
energía, ésta es la característica más significativa que tienen
los sistemas de intervención basados en ROV. Debido a esta conexión,
no existe ninguna restricción significativa de energía transmitida
durante la operación del vehículo.
- Capacidad para realizar tareas de manipulación.
El ROV en comparación con los vehículos que no están conectados por
cable al barco de la superficie, tiene la posibilidad de manejar
los brazos manipuladores. Esto permite realizar tareas como las de
operaciones de válvulas, reemplazar módulos y otras tareas activas.
Esta característica también le da una capacidad, que es la de
transportar módulos desde la superficie a la instalación submarina
o entre las mismas instalaciones submarinas.
La capacidad para realizar tareas de manipulación
está estrechamente ligada con las características del cable de
alimentación de energía que conecta el vehículo y la unidad de
control de la superficie. Los diseñadores de los sistemas de
intervención tienen por tanto una relación de compromiso entre la
energía necesaria/transferida y el diámetro del cable utilizado con
respecto a las fuerzas de arrastre inducidas por el cable en el
vehículo.
Los vehículos robóticos submarinos están siendo
usados para desarrollar numerosas tareas subacuáticas. El
desarrollo tecnológico vinculado a robots submarinos avanzados,
experimenta una creciente aceleración debido a la demanda de
sistemas con inteligencia y alta capacidad de desempeñar tareas
para el desarrollo de tareas en este peculiar entorno. El robot
submarino por el Laboratory for Control Systems and Automation en
Korea dispone de 5 servomotores, procesador Intel 486 a bordo,
emplea inclinómetros y transductores de presión como sensores y
una cámara de visión. Sus dimensiones son 750 mm x 460 mm x 260
mm.
El primer robot submarino teleoperado de China
fue desarrollado por Shenyang Institute of Automation Chinese
Academy of Sciences. Actualmente, este instituto produce estos
robots a escala incluyendo varios tamaños, como el robot
CR-01. Este robot puede descender hasta 6000 metros
y explorar una amplia superficie siendo uno de los pocos robot
capacitados para desactivar minas.
El laboratorio de investigaciones submarinas del
MIT tiene una amplia experiencia en el desarrollo y aplicación de
vehículos submarinos no tripulados del tipo AUV. Uno de los robots
desarrollados por este laboratorio, es el robot submarino Nereus
IV. Este robot ha sido contratado para la inspección del fondo
marino en el litoral gallego. Dispone de 17 cámaras de visión, con
una capacidad de desplazamiento de aproximadamente 2 km/h. Este ROV
puede trabajar entre 10 metros y 2500 metros de profundidad, y un
peso de unas 8 toneladas.
Aunque continuamente se reportan avances en el
desarrollo de nuevos ROV's submarinos, hasta el momento no se
conocen desarrollos de robots de geometría variable basados en
estructuras paralelas de seis grados de libertad.
La exploración y trabajos submarinos se están
robotizando debido a que la naturaleza y el entorno de estos
trabajos por sus características son incompatibles con la vida
humana, el reto por lo tanto es poder sustituir los trabajos humanos
en las profundidades marinas, por máquinas robotizadas dotadas de
sistemas sensoriales, brazos y medios inteligentes de control.
Los avances conseguidos hasta el momento en el
desarrollo de robots submarinos para trabajos a grandes
profundidades todavía dejan muchos problemas sin resolver
fundamentalmente en los temas de movilidad, habilidad para
navegación y la manipulación y capacidad de acceder al interior de
recintos estrechos en los fondos marinos, la presente invención
plantea una solución para estos problemas.
El robot de esta invención es una mejora de la
patente principal P200201666, el cual esta formado básicamente, por
dos anillos unidos entre si en paralelo por seis accionamientos
lineales a través de juntas esférica y universales, gracias a lo
cual forman un mecanismo submarino de seis grados de libertad. El
robot puede portar brazos manipuladores ensamblados en los
anillos. Además dispone de propulsores marinos y de hardware
formado por dispositivos electrónicos a bordo y remotos para la
navegación, así como sensores. Todos ellos son controlados por
programas de computador que facilitan la teleoperación del robot y
la gestión de los datos marinos.
El robot submarino paralelo es una mejora la
patente principal P200201666 "Robot paralelo trepador y
deslizante para trabajos en estructuras y superficies", el robot
en su conjunto es básicamente un mecanismo submarino de cadena
cinemática paralela, que esta caracterizado por estar compuesta por
dos anillos que están unidos entre si en paralelo por seis
accionamientos lineales a través de juntas universales y
esféricas. Cada accionamiento lineal es controlado
independientemente, por lo que un anillo se puede desplazar y
orientar respecto del otro con seis grados de libertad. Debido a
que en cada anillo se han dispuesto en su parte central propulsores
marinos, es posible dirigir "vectorialmente" el robot. Lo
anterior se explica en base a que entre los anillos se puede
variar su separación y orientación, esto permite componer en el
espacio las fuerzas de los propulsores marinos, para conseguir una
fuerza resultante que dirige la navegación del robot. En virtud
del control "vectorial", el robot paralelo se puede desplazar
en cualquier dirección y con cualquier orientación en base a los
propulsores de los anillos y al control de los accionamientos
lineales. Además, gracias a la posibilidad de poder cambiar su
configuración geométrica, este tipo de robot puede introducirse a
través de orificios, hacia el interior de cascos de naufragios o
cuevas o puede evolucionar lentamente por ejemplo, siguiendo
estelas de combustibles de naufragios para medir sus parámetros
hidrodinámicos sin perturbarlos, o realizar delicadas operaciones
de manipulación.
Figura 1. - Vista isométrica del robot paralelo
de seis grados de libertad con impulsores en los dos anillos y
brazo articulado.
Figura 2. - Vista isométrica posterior del robot
paralelo de seis grados de libertad con impulsores en los dos
anillos y brazo articulado.
Figura 3. - Vista isométrica del robot paralelo
de seis grados de libertad con impulsores y aletas de gran
superficie en el anillo delantero y anillo trasero de timón.
Figura 4. - Vista de planta del robot paralelo de
seis grados de libertad con impulsores y aletas de gran superficie
en el anillo delantero y anillo trasero de timón.
La presente mejora de la invención de la patente
principal P200201666 "Robot paralelo trepador y deslizante para
trabajos en estructuras y superficies", se ilustra mediante la
siguiente descripción de un modo de realización y dos ejemplos que
muestran dos variaciones de la realización del mecanismo paralelo
de seis grados de libertad, utilizado como robot submarino.
- 1)
- Los anillos marcados como (1) y (2), se realizarán con material de peso ligero preferiblemente en materiales compuestos, sobre una estructura metálica interior del tipo esqueleto, suficiente para soportar las presiones de las profundidades marinas. Los anillos (1) y (2) son huecos para alojar la electrónica de control compuesta por los controles de los accionamientos lineales (3), los motores propulsores (4), los sensores de a bordo, las unidades inerciales de navegación, inclinómetros, profundimetros, sistemas de medición sonar y sistemas de control de presurización de la cámara estanca de cada anillo.
- 2)
- Cada anillo además dispone de las aletas (7) de perfil de ala, cuyo perfil, tamaño y superficie se puede cambiar para aumentar la sustentación y maniobrabilidad del robot a velocidades altas de desplazamiento. La diferencia de superficie de las alas entre los dos anillos caracteriza la forma de navegar del robot.
- 3)
- Los anillos (1) y (2) están unidos por seis accionamientos lineales (3), dispuestos en paralelo, la unión de cada accionamiento a los anillos se realiza en sus extremos a través de una junta universal (5) y otra esférica (6).
- 4)
- Cada anillo (1) y (2) tiene ensamblado en su parte central un propulsor marino de marcha reversible, el cual se puede controlar para regular su fuerza impulsora y el sentido de esta fuerza.
- 5)
- En cada anillo (1) y (2), se pueden ensamblar brazos manipuladores articulados (9) los cuales se pueden plegar y extender convenientemente para realizar trabajos de manipulación. Los brazos serán fabricados en materiales compuestos de alta resistencia, pero livianos. Los brazos manipuladores serán accionados mediante servo accionamientos.
- 6)
- El sistema de control del robot esta basado en una unidad de navegación inercial que en combinación con otros dispositivos como inclinómetros y profundímetros, permiten medir y controlar los ángulos conocidos técnicamente como: Balanceo, Cabeceo y Guiñada. Estos ángulos definen completamente la postura del robot para la navegación. De otra parte el desplazamiento entre los anillos (1) y (2) que se consiguen al controlar independientemente el desplazamiento de cada uno de los accionamientos lineales (3). El control de los accionamientos lineales se hace mediante algoritmos computacionales basados en la cinemática inversa y directa del robot que calculan la orientación y desplazamientos relativos entre los anillos, necesarios para cambiar la geometría del robot necesaria para aumentar la capacidad del par de un anillo y sus aletas, respecto del otro, esto permite conducir el robot a través de condiciones adversas como las que se presentan cuando se debe desplazar entre corrientes marítimas y que exigen un comportamiento de la navegación similar a la navegación a vela, para aprovechar a favor la energía de las corrientes marinas.
Como se muestra en la figura-1,
el robot submarino paralelo es una mejora la patente principal
P200201666 "Robot paralelo trepador y deslizante para trabajos en
estructuras y superficies", que esta formado básicamente por los
anillos (1) y (2) los cuales están unidos entre si mediante seis
accionamientos lineales (3) dispuestos de forma paralela. La
conexión entre los anillos (1) y (2) y los accionamientos lineales
(3), se realiza a través de las juntas esféricas y universales (5)
y (6). Las aletas (7) son aletas para facilitar la navegación y
están adosadas a los anillos (1) y (2). Además en el centro de
cada uno de los anillos se disponen los propulsores marinos (4) con
marcha hacia atrás ó hacia adelante. En los anillos (1) y (2) se
pueden adosar los brazos articulados (9), los cuales se pueden
recoger mientras el robot navega y extenderse para realizar
trabajos de manipulación de objetos y trabajos mecánicos.
Como se observa de la figura (1), este robot
tiene la singularidad que se puede dirigir su navegación
"vectorialmente" gracias a la composición en el espacio de la
dirección y sentido de las fuerzas originadas por los propulsores
marinos (4) con marcha hacia atrás y hacia adelante, que están
ensamblados los anillos (1) y (2). Para hacer posible esta
navegación "vectorial", además es necesario que cada anillo del
robot (1) ó (2), se puede desplazar y orientar de manera relativa
uno respecto del otro, esto se consigue gracias a los seis
accionamientos lineales (3), los cuales se controlan
independientemente por computador. Esta singularidad de la
navegación "vectorial", hace que este tipo de robot paralelo
pueda navegar por ejemplo, combinando los desplazamientos
horizontales, verticales y laterales de manera similar al vuelo de
un helicóptero, sustentándose gracias a sus impulsores (4) de marcha
hacia atrás y hacia delante y las aletas (7). Esto posibilita
también, dirigir la navegación del robot con cualquier orientación
que sea requerida para los trabajos de manipulación de objetos
marinos.
De otra parte, gracias a su geometría variable
que da lugar a que se puedan adoptar entre los anillos (1) y (2),
formas alargadas cilíndricas ó en ángulo, y en base al control
vectorial, este robot paralelo puede acceder fácilmente al interior
de las cavidades de los cascos de naufragios atravesando agujeros
gracias a que puede cambiar su geometría, ó acceder a cuevas para
realizar trabajos de espeleología o configurarse para desplazarse
suavemente sin causar perturbaciones facilitándose la captura de
datos hidrodinámicos de fenómenos debidos a estelas de vertidos
causados por desastres marinos.
El ejemplo 2, se basa igualmente en la
configuración cinemática básica del robot paralelo submarino,
formada por dos anillos unidos entre si por seis accionamientos
lineales (3) paralelos, a través de la juntas universales (5) y
esféricas (6). Con la singularidad de que en este caso, si se
cambian los anillos (1) y (2), por los anillos (11) y (12) y se
ubican simétricamente los propulsores marinos con marcha reversible
sobre el anillo delantero (11), es posible conseguir una
configuración del robot submarino especialmente apropiada para
desplazamientos rápidos a distancias grandes desde la base de
operaciones. Una prestación importante en el caso de aplicaciones
que requieran trabajos de reconocimiento, inspección, transporte ó
manipulación de objetos sobre fondos marinos. Como se muestra en
la figura-3, la configuración de la anillo (11)
tiene aletas de mayor superficie que aumentan la sustentación del
robot. Sobre este anillo (11), se acoplan simétricamente los
impulsores de marcha reversible (16) y las botellas de aire
comprimido (8), el trabajo de los impulsores reversibles (16) junto
con las aletas (13), aumentan la rigidez hidrodinámica de este
anillo (11), de tal manera que el anillo (12) y sus aletas (14)
sirvan de timón para dirigir la navegación del robot. Tanto en el
caso del ejemplo 1, así como en este ejemplo 2, se importante
recalcar, que gracias al control del desplazamiento de los
accionamientos lineales (3), es posible aumentar la distancia y
orientación relativa entre los dos anillos, lo que amplifica la
capacidad de par del anillo (12) sobre el anillo (11), y su efecto
de timón. Estas prestaciones cinemáticas del mecanismo paralelo
submarino, permiten alcanzar la mayor maniobrabilidad posible para
un robot submarino. Lo anterior es particularmente útil cuando el
robot debe navegar dentro de corrientes marinas, aprovechando su
energía para hacerlo de manera similar a la navegación a vela.
Claims (7)
1. Mejoras en la patente principal P200201666
"Robot paralelo trepador y deslizante para trabajos en
estructuras y superficies" consistente en su adaptación Para su
uso en la navegación teleoperada bajo el agua caracterizado
porque: cada uno de los anillos (1) y (2) tiene adosadas las aletas
(7) y tienen ensamblados en su eje central un sistema de propulsión
marina de marcha reversible (4) y además porque los anillos (1) y
(2) disponen de los soportes (15) para ensamblar los brazos
articulados (9).
2. Mejoras en la patente principal P200201666
"Robot paralelo trepador y deslizante para trabajos en
estructuras y superficies" consistente en su adaptación para su
uso en la navegación teleoperada bajo el agua: según reivindicación
anterior y que además esta caracterizado porque: los anillos
(1) y (2) son huecos para alojar los sistemas de control de los
sistemas propulsores marinos (4), los accionamientos lineales (3) y
los brazos articulados (9).
3. Mejoras en la patente principal P200201666
"Robot paralelo trepador y deslizante para trabajos en
estructuras y superficies" consistente en su adaptación para su
uso en la navegación teleoperada bajo el agua: según reivindicación
anterior y que además esta caracterizado porque: los anillos
(1) y (2) llevan adosadas las botellas de aire comprimido (8).
4. Mejoras en la patente principal P200201666
"Robot paralelo trepador y deslizante para trabajos en
estructuras y superficies" consistente en su adaptación para su
uso en la navegación teleoperada bajo el agua, según
reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque: los anillos (1) y (2) se pueden cambiar por los anillos (11) y (12) y por que en el anillo (11) se ensamblan de manera simétrica los sistemas propulsores marinos de marcha reversible (16).
caracterizado porque: los anillos (1) y (2) se pueden cambiar por los anillos (11) y (12) y por que en el anillo (11) se ensamblan de manera simétrica los sistemas propulsores marinos de marcha reversible (16).
5. Mejoras en la patente principal P200201666
"Robot paralelo trepador y deslizante para trabajos en
estructuras y superficies" consistente en su adaptación para su
uso en la navegación teleoperada bajo el agua, según
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque: el anillo
(11) lleva adosadas las aletas de gran superficie (13) y las aletas
(7).
6. Mejoras en la patente principal P200201666
"Robot paralelo trepador y deslizante para trabajos en
estructuras y superficies" consistente en su adaptación para su
uso en la navegación teleoperada bajo el agua, según
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque: el anillo
trasero (12) dispone de las aletas de timón (14).
7. Mejoras en la patente principal P200201666
"Robot paralelo trepador y deslizante para trabajos en
estructuras y superficies" consistente en su adaptación para su
uso en la navegación teleoperada bajo el agua, según
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el robot
dispone de algoritmos computacionales de control vectorial de
navegación basados en la solución cinemática inversa y directa del
mecanismo paralelo que forma el robot así como en la información
sensorial de una unida inercial, para dirigir en base a la
orientación y desplazamiento relativo entre los anillos (1) y (2) ó
(11) y (12), la composición vectorial de las suma de las fuerzas
impulsoras generadas por los impulsores de marcha reversible (4) ó
(16).
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2002
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-
2003
- 2003-12-10 ES ES200302920A patent/ES2253960B1/es not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
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| ARACIL et al. "Climbing parallel robot morphologies." En: Robot Control 2000 (SYROCO 2000), Proceedings volume from the 6th IFAC Symposium. Editado por Elsevier Sci., Kidlington UK, 2001, Vol. 2, páginas 471-476. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2253960B1 (es) | 2007-07-16 |
| ES2230953A1 (es) | 2005-05-01 |
| ES2230953B2 (es) | 2006-06-16 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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