ES2273525A1

ES2273525A1 - Flat positioning system for e.g. robots used in mine detection, has static actuators for simultaneous and parallel displacement of two joints provided on e.g. legs of robot used in mine detection

Info

Publication number: ES2273525A1
Application number: ES200300984A
Authority: ES
Inventors: Pablo Gonzalez De Santos; Joaquin Estremera Rodrigo; Elena Garcia Armada; Manuel A. Armada Rodriguez
Original assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Current assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Priority date: 2003-04-30
Filing date: 2003-04-30
Publication date: 2007-05-01
Anticipated expiration: 2023-04-30
Also published as: ES2273525B1

Abstract

The system comprises of static actuators for the simultaneous and parallel displacement of two joints. The joints may be the joints provided on the legs of a robot used in mine detection.

Description

Posicionador plano de dos grados de libertad con actuadores estáticos y confinados.Flat positioner with two degrees of freedom with static and confined actuators.

Technical sector

El dispositivo objeto de la presente invención consiste en un sistema posicionador paralelo de dos grados de libertad con los actuadores estáticos y confinados que permite posicionamientos de un punto (conocido como punto efectivo) sobre un plano. El sistema dispone de dos actuadores que trabajan simultánea y conjuntamente (en paralelo) en el desplazamiento de dos articulaciones. Esta disposición permite utilizar actuadores de menor potencia que en los sistemas tradicionales y está indicado para trabajar con objetos explosivos o inflamables de manera que ante eventuales accidentes (explosiones) las partes más caras (actuadores) queden protegidas por la distancia y sólo se requiera el cambio de elementos simples y baratos (eslabones, etc.). Este mecanismo puede aplicarse, por ejemplo, como pata en robots caminantes. Específicamente en robots caminantes para aplicaciones de detección de minas antipersonas, donde existe el riesgo de que las minas sean activadas por los pies de dicho robot.The device object of the present invention it consists of a two degree parallel positioning system of freedom with static and confined actuators that allows one point positions (known as effective point) over a plane The system has two actuators that work simultaneously and together (in parallel) in the displacement of two joints This arrangement allows to use actuators of less power than in traditional systems and is indicated to work with explosive or flammable objects so that in the event of accidents (explosions) the most expensive parts (actuators) are protected by distance and only required the change of simple and cheap elements (links, etc.). This mechanism can be applied, for example, as a leg in robots hikers. Specifically in walking robots for applications of detection of antipersonnel mines, where there is a risk that the mines are activated by the feet of said robot.

State of the art

Existe un gran número de dispositivos posicionadores de dos grados de libertad para diferentes aplicaciones. Por ejemplo:There are a large number of devices two degree freedom positioners for different Applications. For example:

T.C. Prentice and B.P. Prescott, "Positioning system", U.S. Patent No. 5,886,494, 1999. TC Prentice and BP Prescott, "Positioning system", US Patent No. 5,886,494, 1999 .

M. Vainstock, "Two axis transfer device" U.S. Patent No. 4,962,676, 1990.M. Vainstock, "Two axis transfer device" U.S. Patent No. 4,962,676, 1990.

y un gran número de dispositivos que utilizan un sistema paralelo para configurar dispositivos de dos grados de libertad:and a large number of devices that use a parallel system to configure two degree devices of freedom:

C. Reboulet, "Parallel-structure manipulator device for displacing and orienting and object in a cylindrical work space", U.S. Patent No. 5,539,291, 1996. C. Reboulet, "Parallel-structure manipulator device for displacing and orienting and object in a cylindrical work space", US Patent No. 5,539,291, 1996 .

S.E. Landsberger and T.B. Sheridan, "Parallel link manipulators", U.S. Patent No. 4,666,362, 1987. SE Landsberger and TB Sheridan, "Parallel link manipulators", US Patent No. 4,666,362, 1987 .

Incluso existen patas para robots caminantes basadas en un sistema diferencial como el que aparece en la publicación:There are even legs for walking robots based on a differential system like the one that appears in the publication:

Zhou, D., Low, K.H. and Zelinska, T 2000. "An efficien foot-force distribution algorithm for quadruped walking robots", Robotica, Vol. 18, pp. 403-413. Zhou, D., Low, KH and Zelinska, T 2000. "An efficien foot-force distribution algorithm for quadruped walking robots", Robotica, Vol. 18, pp. 403-413 .

Este último sistema es un posicionador esférico (el punto efectivo del dispositivos se desplaza sobre la superficie de una esfera). Sin embargo, la invención que se propone aunque utiliza, básicamente, los mismos elementos los dispone en una configuración diferente caracterizada porque los actuadores no se desplazan con el mecanismo sino que están estáticos.This last system is a spherical positioner (the effective point of the devices moves over the surface of a sphere). However, the proposed invention although basically uses the same elements in a different configuration characterized because the actuators are not they move with the mechanism but are static.

Description of the invention - Brief description of the invention

La presente invención se trata de un sistema posicionador plano de dos grados de libertad que consta de un sistema diferencial tradicional compuesto por tres piñones cónicos. Dos de ellos giran alrededor de sus respectivos ejes fijos que están alineados entre sí y están accionados por actuadores. El tercer piñón cónico es un planetario engranado con los otros dos piñones que puede girar alrededor del los ejes alineados de éstos y alrededor de su propio eje. El giro alrededor del eje de los piñones de ejes fijos constituye el primer grado de libertad. El segundo grado de libertad se forma con el giro del piñón planetario alrededor de su propio eje que se transmite a lo largo y por el interior de un eslabón hasta una articulación con un mecanismo de transmisión en ángulo recto. Esta articulación desplaza a otro eslabón cuyo extremo forma el punto efectivo del sistema de posicionamiento de dos grados de libertad. Cuando se utilice este dispositivo como pata de robot caminante el pie se unirá al punto efectivo del dispositivo.The present invention is about a system flat positioner of two degrees of freedom consisting of a Traditional differential system consisting of three conical pinions. Two of them revolve around their respective fixed axes that are aligned with each other and are actuated by actuators. The third conical pinion is a planetary geared with the other two pinions which can rotate around the aligned axes of these and around its own axis. The rotation around the pinion axis Fixed axes constitute the first degree of freedom. The second degree of freedom is formed with the rotation of the planetary pinion around its own axis that is transmitted along and by the inside of a link to a joint with a mechanism of right angle transmission. This joint displaces another link whose end forms the effective point of the system positioning of two degrees of freedom. When using this device like walking robot leg the foot will join the point Device cash.

- Detailed description of the invention

La presente invención consiste en un sistema posicionador plano de dos grados de libertad que consta de un sistema diferencial tradicional compuesto por tres piñones cónicos 1, 2 y 3; dos de ellos 1 y 2, denominados piñones de entrada, giran alrededor de sus respectivos ejes fijos 4 y 5 que están alineados entre sí y están accionados por actuadores. El tercer piñón cónico 3 es un planetario engranado con los otros dos piñones 1 y 2 que puede girar alrededor de los ejes alineados 4 y 5 de éstos así como alrededor de su propio eje 6, dependiendo del sentido de giro de los piñones de entrada 1 y 2. El giro del piñón planetario 3 alrededor de los ejes 4 y 5 de los piñones de ejes fijos 1 y 2 constituye el primer grado de libertad. El segundo grado de libertad se forma con el giro del piñón planetario 3 alrededor de su propio eje 6 que se transmite mediante el eje 26 a lo largo y por el interior de un eslabón 16 hasta una articulación constituida por un sistema transmisor recto (cualquier dispositivo de transmisión de movimiento a 90 grados: engranajes cónicos, sistemas espiroidales o cualquier otro) que consta de un elemento de entrada 17 y un elemento de salida 18 cuyo eje de salida 19 constituye el segundo grado de libertad del dispositivo. Este eje de salida 19 arrastra a un eslabón 20 cuyo extremo 21 constituye el punto efectivo que se puede posicionar en el plano que contiene a los eslabones 16 y 20 (dos grados de libertad). Cuando se utiliza este dispositivo como pata de robot caminante el pie se unirá al punto efectivo 21 de dicho dispositivo.The present invention consists of a system flat positioner of two degrees of freedom consisting of a traditional differential system consisting of three conical pinions 1 2 and 3; two of them 1 and 2, called input sprockets, rotate around their respective fixed axes 4 and 5 that are aligned each other and are actuated by actuators. The third conical pinion 3 is a planetarium meshed with the other two pinions 1 and 2 that can rotate around the aligned shafts 4 and 5 of these as well as around its own axis 6, depending on the direction of rotation of the input sprockets 1 and 2. The rotation of planetary sprocket 3 around of axes 4 and 5 of pinions of fixed axes 1 and 2 constitutes the First degree of freedom. The second degree of freedom is formed with the rotation of the planetary pinion 3 around its own axis 6 which is transmits by means of axis 26 along and inside a link 16 to an articulation consisting of a system straight transmitter (any motion transmission device at 90 degrees: bevel gears, spiroidal systems or any other) consisting of an input element 17 and an element of output 18 whose output axis 19 constitutes the second degree of device freedom. This output shaft 19 drags a link 20 whose end 21 constitutes the effective point that can position in the plane that contains links 16 and 20 (two degrees of freedom). When this device is used as walking robot leg the foot will join the effective point 21 of said device.

Los piñones de entrada 1 y 2 deben unirse a los ejes de sendos actuadores 22 y 23. En este caso los actuadores se disponen de manera que su eje sea perpendicular a los ejes 4 y 5 de los piñones de entrada 1 y 2. La transmisión del movimiento desde los actuadores 22 y 23 hasta los piñones de entrada 1 y 2 se realiza a través de un sistema transmisor recto. Estos transmisores rectos 7 y 8 tienen sus ejes de salida 9 y 10 solidarios con los ejes 4 y 5 de los piñones de entrada 1 y 2, respectivamente, y por tanto giran solidarios con éstos. Los ejes de entrada 11 y 12 de los transmisores rectos se unen a su correspondiente actuador 22 y 23, respectivamente.Input sprockets 1 and 2 must join the axes of two actuators 22 and 23. In this case the actuators are they have so that their axis is perpendicular to axes 4 and 5 of the input sprockets 1 and 2. The transmission of the movement from actuators 22 and 23 to the input pinions 1 and 2 are performed through a straight transmitter system. These transmitters straight 7 and 8 have their output axes 9 and 10 in solidarity with the axes 4 and 5 of the input sprockets 1 and 2, respectively, and by both rotate solidarity with these. The input axes 11 and 12 of the Straight transmitters are attached to their corresponding actuator 22 and 23, respectively.

El eje de salida 6 del piñón planetario 3 se hace pasar por el orificio central 13 de un bastidor móvil 14 que puede girar alrededor de un eje 27 coincidente con los ejes 4 y 5 de los piñones de entrada 1 y 2. Cuando los ejes de los actuadores hagan giran a los ejes 4 y 5 se producirá el movimiento de los piñones 1 y 2 que forzarán al eje 6, a través del piñón 3, a:The output shaft 6 of the planetary pinion 3 is passes through the central hole 13 of a mobile frame 14 which can rotate around an axis 27 coinciding with axes 4 and 5 of the input sprockets 1 and 2. When the actuator shafts make axes 4 and 5 rotate the movement of the pinions 1 and 2 that will force axis 6, through pinion 3, to:

\bullet?: Desplazarse en un plano perpendicular a los ejes 4 y 5 que además contenga al eje 6.Scroll in a plane perpendicular to axes 4 and 5 which also contains the axis 6.

\bullet?: Girar sobre sí mismo.Turn on yourself.

\bullet?: Desplazarse y girar simultáneamente (combinación de las anteriores).Scroll and turn simultaneously (combination of the above).

El giro del eje 6 alrededor de los ejes 4 y 5 mueve el eslabón 16 y forma el primer grado de libertad. Este movimiento se corresponde con el movimiento simultáneo y en diferente sentido de los actuadores 22 y 23. El giro del eje 6 sobre sí mismo se traslada a través del eje 26 y por el interior del eslabón 16 hasta un sistema transmisor recto cuyo eje de salida 19 mueve el eslabón 20 al que está unido y constituye el segundo grado de libertad del dispositivo. Este movimiento se corresponde con el movimiento simultáneo y en el mismo sentido de los actuadores 22 y 23.The rotation of axis 6 around axes 4 and 5 move link 16 and form the first degree of freedom. This movement corresponds to the simultaneous movement and in different sense of actuators 22 and 23. The rotation of axis 6 on itself moves through axis 26 and inside the link 16 to a straight transmitter system whose output shaft 19 move link 20 to which it is attached and constitutes the second degree of freedom of the device. This movement corresponds to the simultaneous and in the same direction of the actuators 22 and 2. 3.

El extremo 21 del segundo eslabón 20 constituye el punto efectivo del dispositivo que está alejado de la situación de los actuadores los cuales no se desplazan con el mecanismo, sino que permanecen estacionarios.The end 21 of the second link 20 constitutes the effective point of the device that is far from the situation of the actuators which do not move with the mechanism, but They remain stationary.

Detailed description of the drawings

Figura 1: Sistema diferencial tradicional formado por tres piñones cónicos.Figure 1: Traditional differential system formed by three conical pinions.

Figura 2: Sistema diferencial con transmisores en ángulo recto de tipo espiroidal.Figure 2: Differential system with transmitters Right angle spiroidal type.

Figura 3. Sistema diferencial con transmisores rectos: soportes y bastidor móvil.Figure 3. Differential system with transmitters Straight: supports and mobile frame.

Figura 4. Transmisión de movimiento y eslabones del dispositivo.Figure 4. Transmission of movement and links Of the device.

Figura 5. Dispositivo de dos grados de libertad completo.Figure 5. Two degree freedom device full.

Figura 6. Invención utilizada como sistema posicionador de tres grados de libertad.Figure 6. Invention used as a system positioner of three degrees of freedom.

1.one.: Piñón fijoPinion permanent

2.2.: Piñón fijoPinion permanent

3.3.: Piñón planetarioPinion planetary

4.Four.: Eje del piñón fijo 1Axis of fixed pinion 1

5.5.: Eje del piñón fijo 2Axis of fixed pinion 2

6.6.: Eje de piñón planetario 3Axis planetary pinion 3

7.7.: Sistema transmisor recto solidario al piñón 1Straight transmitter system in solidarity with pinion 1

8.8.: Sistema de transmisor recto solidario al piñón 2Solidarity straight transmitter system to pinion 2

9.9.: Eje de salida del sistema transmisor recto 7Axis Output of straight transmitter system 7

10.10.: Eje de salida del sistema transmisor recto 8Axis Output of straight transmitter system 8

11.eleven.: Eje de entrada del sistema transmisor recto 7Axis input straight transmitter system 7

12.12.: Eje de entrada del sistema transmisor recto 8Axis 8 straight transmitter system input

13.13.: Agujero sobre el bastidor móvil 14Hole on the mobile frame 14

14.14.: Bastidor móvilMobile frame

15.fifteen.: Elemento de fijación de los transmisores rectosFixing element of the straight transmitters

16.16.: EslabónLink

17.17.: Piñón cónico de entrada del sistema transmisor rectoConical pinion system input straight transmitter

18.18.: Piñón cónico de salida del sistema transmisor rectoConical system output pinion straight transmitter

19.19.: Eje de salida del sistema transmisor rectoAxis straight transmitter system output

20.twenty.: EslabónLink

21.twenty-one.: Punto efectivo del sistemaSystem Effective Point

22.22: ActuadorActuator

23.2. 3.: ActuadorActuator

24.24.: Bastidor fijoFixed frame

25.25.: Soportes de los transmisores rectos 7 y 8Straight transmitter stands 7 and 8

26.26.: Eje de transmisión del movimiento del piñón planetario 3Axis of transmission of the planetary pinion movement 3

27.27.: Eje de giro del bastidor móvil 14Axis turn of the mobile frame 14

28.28.: Actuador adicionalAdditional actuator

29.29.: Eje de giro de la articulación adicionalAxis of rotation of the additional joint

30.30: Soportes del mecanismoMechanism brackets

31.31.: Punto de anclaje del mecanismo de tres grados de libertadAnchoring point of the mechanism of three degrees of freedom

Example of embodiment of the invention

Los actuadores (motores eléctricos) 22 y 23 se sitúan sobre un bastidor fijo 24 que dispone de apoyos 25 para los ejes de los transmisores rectos 7 y 8. Además, estos transmisores rectos se apoyan en la pieza 15 unida firmemente al bastidor fijo 24. Los ejes de los actuadores 22 y 23 se unen firmemente a los ejes de entrada 11 y 12 de los transmisores rectos 7 y 8 que están formados por sistema espiroidales comerciales. Estos transmisores rectos 7 y 8 están unidos a los piñones cónicos de entrada 1 y 2, respectivamente. El giro de los actuadores 22 y 23 produce, por el montaje descrito, el movimiento de los piñones 1 y 2 que arrastran al piñón planetario 3. El eje 6 de este piñón 3 pasa a través de un agujero 13 situado en el bastidor móvil 14. Este bastidor 14 puede girar libremente alrededor de un eje 27 que coincide con los ejes 4 y 5 de los piñones 1 y 2 y con los ejes 9 y 10 de los transmisores rectos 7 y 8. Esta disposición hace que al girar los actuadores 22 y 23, y dependiendo del sentido de giro de cada uno de ellos, el eje 6 del piñón 3 gire alrededor de sí mismo o, bien, se desplace junto con el bastidor móvil 14 alrededor de los ejes de 4, 5, 9, 10 y 27 (todos ellos alineados). En este último caso, el bastidor móvil 14 arrastrará al eslabón 16, al cual está firmemente unido, y el resto de la estructura unida a este eslabón 16 (entre otros elementos el eslabón 20). El eje 6 del piñón 3 cuando gira alrededor de sí mismo hace, también, girar al piñón cónico 17 al que está unido mediante un eje 26 dispuesto en el interior del eslabón 16. El piñón cónico engrana con el piñón 18 formando una transmisión recta. El eje 19 del piñón 18 está unido al eslabón 20 cuyo extremo 21 forma el punto efectivo del sistema el cual puede posicionarse en un plano que contiene a los dos eslabones 16 y 20. Los actuadores 22 y 23 pueden posicionar el extremo efectivo 21 sin que éstos cambien de posición ni orientación.Actuators (electric motors) 22 and 23 are placed on a fixed frame 24 that has supports 25 for the shafts of straight transmitters 7 and 8. In addition, these transmitters straight lean on piece 15 firmly attached to the fixed frame 24. The shafts of actuators 22 and 23 are firmly attached to the input axes 11 and 12 of straight transmitters 7 and 8 that are formed by commercial spiroidal system. These transmitters Straight 7 and 8 are attached to the conical pinions of input 1 and 2, respectively. The rotation of the actuators 22 and 23 produces, by assembly described, the movement of the pinions 1 and 2 that drag to the planetary pinion 3. The axis 6 of this pinion 3 passes through a hole 13 located in the mobile frame 14. This frame 14 can rotate freely around an axis 27 that coincides with axes 4 and 5 of pinions 1 and 2 and with axes 9 and 10 of the transmitters straight 7 and 8. This arrangement causes the actuators to turn 22 and 23, and depending on the direction of rotation of each of them, the axis 6 of the pinion 3 rotate around itself or, well, move together with the mobile frame 14 around the axes of 4, 5, 9, 10 and 27 (all of them aligned). In the latter case, the frame mobile 14 will drag to link 16, to which it is firmly attached, and the rest of the structure attached to this link 16 (among others elements link 20). Axis 6 of pinion 3 when it rotates around itself it also turns the conical pinion 17 to which it is connected by an axis 26 arranged inside the link 16. The conical pinion meshes with pinion 18 forming a transmission straight. The axis 19 of the pinion 18 is connected to the link 20 whose end 21 forms the effective point of the system which can be positioned in a plane that contains the two links 16 and 20. The actuators 22 and 23 can position the effective end 21 without these change position or orientation.

Una variante de este sistema permite configurar posicionadores en el espacio (tres grados de libertad) que puede utilizarse, entre otras aplicaciones, como pata de robot caminante. Para ello debe disponerse de un actuador adicional 28. Este actuador está situado sobre un soporte 30 y su eje está unido firmemente al bastidor fijo 24 sobre la que se ensambla el dispositivo propuesto y descrito. El eje del actuador 28 que coincide con el eje 29 constituye el tercer grado de libertad. Cuando este sistema completo se utilice como un manipulador el extremo 31 del soporte 30 se considerará como base del sistema y deberá fijarse convenientemente. Cuando actúe como un brazo manipulador el extremo 31 deberá fijarse al suelo, pared o techo. Cuando se utiliza como pata de robot caminante este extremo 31 debe fijarse, junto con el resto de patas, al cuerpo del robot. En esta configuración los actuadores 22 y 23 se desplazan alrededor del eje 29 barriendo un volumen pequeño pero no nulo. En este caso, los actuadores siguen estando localizados y lejos del punto efectivo 21.A variant of this system allows you to configure space positioners (three degrees of freedom) that can be used, among other applications, as a walking robot leg. For this, an additional actuator 28 must be available. This actuator it is located on a support 30 and its axis is firmly attached to the fixed frame 24 on which the proposed device is assembled and described. The actuator shaft 28 which coincides with the axis 29 It constitutes the third degree of freedom. When this system complete end 31 of support 30 is used as a manipulator It will be considered as the basis of the system and should be set conveniently When acting as a manipulator arm the end 31 must be fixed to the floor, wall or ceiling. When used as walking robot leg this end 31 must be fixed, along with the rest of legs, to the body of the robot. In this configuration the actuators 22 and 23 move around axis 29 sweeping a Small volume but not zero. In this case, the actuators continue being located and far from the effective point 21.

Claims

1. Positioning device characterized by being flat with two degrees of freedom operated by actuators that work in parallel (both actuators move paths simultaneously), and that allow variable configuration.

2. Device as described in claim 1, characterized by producing the movement of the effective point within a plane from the rotation movements produced by a traditional differential system and a set of subsystems that changes the direction of movement by 90 degrees.

3. Device as described in claims 1 and 2 characterized in that the output shaft of the differential system is moved to a right angle transmission system to configure a rotary joint.

4. Device as described in claims 1 to 3 characterized in that it separates the active parts (actuators) from the passive ones (links) facilitating the change of these and the protection of those against explosions occurring at the effective point of the device.

5. Device as described in claims 1 to 4, characterized in that the actuators are arranged outside the links which reduces unnecessary inertia and energy consumption.

6. Device as described in claims 1 to 5 characterized by having a change of 90 degrees in the direction of the axis of the actuators which allows them to be arranged very close and parallel for their confinement and protection in a reduced volume.

7. Device as described in claims 1 to 6, characterized in that the actuators are arranged so that they do not move when they produce the movement of the effective point in a plane.

8. Device as described in claims 1 to 7 characterized in that it is a parallel system with rotating joints maximizing the work area.

9. Device as described in claims 1 to 8, characterized in that it allows the addition of an additional actuator for configuring systems of three degrees of freedom so that the three actuators are confined in a very small volume, thus allowing the scanning of very small volumes when It moves around the axis of the additional actuator and also facilitates the protection of all the actuators and decreases the number of collisions with environmental elements.

Device according to claims 1 to 8, characterized in that the first joint (29) has a displacement range of more than 180 ° (from -90 ° to approximately 90 °); the second joint (27) has an output offset of more than 180 ° (from -135 ° to approximately 50) and the third joint (19) has an output range of more than 300 ° (from -155 ° to 155 °, approximately) which allows two alternative configurations of action,

i.i.: el plano en el que se mueven los eslabones (16) y (20) está siempre próximo al plano transversal del cuerpo del robot, configuración tipo insecto,he plane in which links (16) and (20) move are always close to the transverse plane of the robot body, configuration insect type,

ii.ii.: el plano en el que se mueven los eslabones (16) y (20) es paralelo al plano sagital del cuerpo del robot, configuración tipo mamífero.he plane in which links (16) and (20) move parallel to the sagittal plane of the robot body, type configuration mammal.