ES2328598T3 - Actuador. - Google Patents

Abstract

Un actuador (10) compuesto de: una primera polea motriz (28); una segunda polea motriz (29), estando conectadas la primera y la segunda polea motriz para que giren juntas; una primera polea accionada (52; 70); una segunda polea accionada (53; 72); una correa de transmisión sinfín (40) que engrana la primera y la segunda polea motriz y la primera y la segunda polea accionada; un motor (19) conectado a la primera y segunda polea motriz para hacer girar y accionar la correa de transmisión sinfín; un elemento accionado (50, 88, 71, 73) que porta como mínimo una de las poleas accionadas; la primera y segunda poleas motrices estando dispuestas de forma que al girar, la velocidad circunferencial de la primera polea motriz es distinta a la velocidad circunferencial de la segunda polea motriz, haciendo un bucle la correa de transmisión sinfín alrededor de las poleas motrices y las poleas accionadas para que la diferencia entre la velocidad circunferencial de la primera polea motriz y la velocidad circunferencial de la segunda polea motriz provoque el movimiento del elemento accionado, caracterizado por que la primera polea motriz y la segunda polea motriz están montadas en un eje común (26).

Description

Actuador.

La presente invención está relacionada con un actuador y en particular, con actuadores lineales y giratorios, especialmente los utilizados en el control de brazos robóticos.

De forma más específica, la presente invención está relacionada con un actuador de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1. Ese actuador se conoce, por ejemplo, en JP-A-02 199 345.

Con el creciente uso de brazos robóticos en procesos de fabricación y para funciones generales de inspección y mantenimiento se ha producido un incremento en el número de funciones de control asociadas a los brazos y es habitual que un brazo multifuncional sofisticado requiera más de treinta elementos independientes de control. Cada uno de esos elementos tiene que ser controlado individualmente por un actuador independiente.

Por ello se hace necesario concentrar un gran número de funciones de control en un espacio relativamente pequeño. Muchos brazos robóticos se controlan o manipulan mediante cables de control. Como los brazos se están haciendo más sofisticados y de menor tamaño y por tanto, son capaces de asumir operaciones más complicadas, estas operaciones necesitan más funciones de control y cada vez se demandan más funciones de control en espacios progresivamente más reducidos.

Tradicionalmente, los actuadores de los cables de control de los brazos robóticos han sido de tipo cabrestante. Este actuador tiene un motor que acciona un cabrestante de bobinado alrededor del que se envuelve el cable de control. La operación del motor acciona el cabrestante y provoca o permite el movimiento correspondiente del cable. Estos accionamientos de cabrestante son relativamente voluminosos y además, tienen tendencia a producir estiramiento y deslizamiento del cable alrededor del cabrestante, haciendo así que sea más difícil un control de precisión. Para superar este problema, la solución es con frecuencia que el mecanismo de control y los accionamientos del motor para cada control estén separados de la base o referencia del brazo robótico, resultando así en un conjunto de control relativamente grande y voluminoso para el brazo.

Para intentar superar este inconveniente se han fabricado actuadores lineales que disponen de un carro móvil en el que se instala el cable de control, montándose el conjunto en un tornillo sinfín o helicoidal para que el giro de éste resulte en un movimiento del carro. Una desventaja de esta disposición es el peso relativo del conjunto y el inevitable desajuste u holgura en la disposición del tornillo sinfín. Además, esas disposiciones tienden a tener fuerzas de fricción relativamente altas y la ventaja mecánica que se puede lograr es efectivamente de un plano inclinado definido por el paso del tornillo sinfín.

Una alternativa es utilizar una disposición de tornillo esférico, disposición que podría minimizar el desajuste u holgura. Sin embargo, una disposición así resulta cara y sólo es adecuada para disposiciones de corto recorrido, pues el peso del tornillo aumenta con la longitud y la inercia de los tornillos esféricos de largo recorrido no es aceptable generalmente. Además, conectar un cable de control a una disposición de tornillo esférico siempre resulta difícil en la práctica.

Existe por tanto la necesidad de un actuador lineal capaz de proporcionar una alta carga a un cable de control con baja pérdida por fricción y además, de construcción compacta para que se pueda agrupar un determinado número de ellos en un espacio relativamente pequeño para controlar un brazo robótico o dispositivo similar.

Muchos actuadores que se utilizan en la industria para operaciones de posicionamiento general (en comparación con los de los cables de tracción) son accionados eléctricamente y se pueden dividir en varias categorías de velocidad y precisión. Las categorías de velocidad son: lenta (digamos, 0-25 mm por segundo), media (digamos 25-500 mm por segundo) y alta (>500 mm por segundo). Las categorías de precisión se pueden definir como precisión cero (no se necesita un posicionamiento absoluto y el desajuste u holgura no tiene importancia), precisión baja (se necesita posicionamiento, pero baja exactitud y es aceptable cierto desajuste u holgura, digamos, 0,25-3 mm) y precisión alta (cuando se necesita un posicionamiento exacto y un desajuste u holgura cero/bajo, digamos de 0,001-0.25 mm). Estos actuadores son accionados a menudo mediante motores eléctricos giratorios; aunque en el mercado existen actuadores lineales de accionamiento directo, su construcción y control resultan costosos. Cuando el actuador lineal es accionado por un motor eléctrico giratorio, se dispone de diversas opciones de diseño para producir el movimiento lineal, incluyendo accionamientos de correa, husillos o tornillos de avance, tornillos esféricos y mecanismos con engranaje de cremallera. En la mayoría de casos para aplicaciones de baja y media velocidad se necesitará una caja de engranajes entre el motor y el convertidor en movimiento lineal a fin de hacer coincidir la velocidad del motor (habitualmente, de 3.000 a 6.000 r.p.m.) con la velocidad requerida de polea/piñón/tornillo esférico. La caja de engranajes añade un considerable coste, en particular si se necesita alta precisión (como en entornos con desajuste u holgura cero/bajo), pues la caja de engranajes debe ser como mínimo tan precisa como el motor y el convertidor en movimiento lineal.

JP-A-02 199 345 divulga un actuador que tiene una correa de transmisión sinfín que forma un bucle alrededor de dos poleas motrices, dos poleas accionadas y dos poleas guía, estando montadas las poleas accionadas en un carro móvil. Todas las poleas descansan en el mismo plano y sus ejes de giro son paralelos. Una segunda correa de transmisión comunica el accionamiento entre las dos poleas motrices, y el montaje de la segunda correa de transmisión hace que la velocidad circunferencial de las dos poleas motrices sea ligeramente distinta, provocando esta diferencia el movimiento del carro.

EP-A-0 161 431 divulga varios actuadores, los cuales comparten las características de la solicitud de patente japonesa indicada. Algunos actuadores incluyen poleas guía adicionales.

US-A-6,134,978 divulga en las figuras 3A, 4A, 5 y 6 varios actuadores que son muy similares a los actuadores del documento de patente japonesa indicado, excepto en las figuras 3A, 4A y 5, que se utiliza una rueda dentada o piñón en lugar de la segunda correa de transmisión para comunicar el accionamiento entre las dos poleas motrices, y en la Figura 6, una segunda y una tercera correa de transmisión comunican el accionamiento con las respectivas poleas motrices. El actuador de las figuras 3B, 4B de este documento es algo similar al de las figuras 3A, 4A, excepto que las dos poleas motrices son coaxiales y descansan en cada lado del plano que contiene las poleas motrices y las poleas guía.

Los documentos señalados de la técnica anterior están relacionados con actuadores que tengan una correa de transmisión para generar movimiento utilizando un principio armónico. Indicado de otra forma, el movimiento necesario se genera gracias a las diferentes velocidades circunferenciales de las dos poleas motrices. Ello reduce o elimina la necesidad de una caja de engranajes entre el motor y la polea motriz para aplicaciones de baja y media velocidad. Como ventaja adicional, ese accionamiento está prácticamente exento de desajuste u holgura, lo que proporciona un accionamiento de alta precisión a un coste relativamente bajo.

El objeto de la presente invención es proporcionar un actuador más compacto y menos complejo.

En consecuencia, se facilita un actuador como se define en la reivindicación 1.

En la siguiente descripción específica, las realizaciones descritas utilizan una correa de transmisión. El término "correa de transmisión" se utiliza también en las reivindicaciones y el preámbulo, pero salvo indicación en contrario, el término "correa" se debe entender que abarca cualquier elemento apropiado de transmisión continua o sinfín, como una cadena, cable, hilo metálico o similar. De forma similar, el término "polea" se utiliza en toda la descripción específica siguiente, pues es habitual utilizar poleas con una correa de transmisión, pero el término "polea" se debe entender que comprende engranajes y piñones, así como ruedas y rodillos con dientes y sin dientes, o similares.

Las velocidades circunferenciales pueden diferir debido a que las poleas motrices tienen distintas longitudes circunferenciales.

La correa de transmisión puede tener dientes y en estas realizaciones como mínimo, las poleas motrices son preferiblemente dentadas para engranar con la correa.

El actuador puede ser un actuador lineal, que tenga preferiblemente un carro montado para su movimiento lineal.

Determinadas realizaciones de actuadores también incluyen una o más poleas guía que también son engranadas por la correa de transmisión sinfín y sirven para guiar y/o dirigir la correa de transmisión entre las poleas motrices y las accionadas.

Al elemento accionado se le puede conectar una línea de control, provocando el movimiento del primero un correspondiente movimiento de la línea de control. Esta línea de control se puede conectar, por ejemplo, a un brazo robótico.

El motor puede ser un motor eléctrico. En una realización particular de la presente invención, el motor eléctrico puede accionar las poleas motrices a través de un conjunto de tornillo sinfín y rueda, proporcionando así una ventaja mecánica adicional. En estas realizaciones, en ocasiones es preferible que el tornillo sinfín y la rueda tengan un paso seleccionado para evitar el retro impulso. Ésta tiene la ventaja de que no se necesita ningún mecanismo de frenado.

Se puede disponer que la correa de transmisión esté siempre flexionada en una dirección alrededor de las distintas poleas, es decir, preferiblemente hacia los dientes en realizaciones de correas dentadas. De forma alternativa, la correa de transmisión se puede flexionar en ambas direcciones, es decir, hacia los dientes y alejada de estos cuando pasa alrededor de las distintas poleas, de forma que la cara dentada de la correa mire hacia fuera cuando pasa alrededor de algunas de las poleas. El flexionamiento de la correa en ambas direcciones se describe en este documento como accionamiento de inflexión (o contraflexión).

En todas las realizaciones de la invención en que se utilice específicamente una correa de transmisión (es decir, en oposición a una cadena o cable por ejemplo), el recorrido de la correa de transmisión entre las poleas motrices, las poleas accionadas y las poleas guía (si existen) respectivamente se orienta por medio de una polea en ángulo. El tamaño y ángulo de la polea se elige de forma que el eje central de las fibras de la correa de transmisión sea sustancialmente coaxial entre las poleas respectivas. Esto significa que la correa de transmisión se retuerce a lo largo de este eje con muy poca o sin traslación o movimiento lateral, minimizando así la variación por esfuerzo de las fibras de la correa.

Se ha descubierto que los actuadores lineales de acuerdo con la presente invención son especialmente útiles para el control de brazos robóticos del tipo descrito en la solicitud internacional nº WO2002/016995.

A continuación se hace la descripción de diversas realizaciones ejemplares del actuador de acuerdo con la presente invención, con referencia a los dibujos anexos, en los cuales:

La Figura 1 es una vista en perspectiva de una primera realización del actuador línea de acuerdo con la presente invención.

La Figura 2 es una representación esquemática (vista parcial) que muestra cómo son posicionadas las poleas accionadas en relación con las poleas motrices.

La Figura 3 es una vista superior del actuador de la Figura 1.

La Figura 4 es una vista transversal del actuador de la Figura 1.

La Figura 5 es una sección en la línea B-B de la Figura 3.

La Figura 6 es una sección parcial en la línea E-E del carro de la Figura 3.

La Figura 7 es una sección parcial en la línea C-C de la Figura 4.

La Figura 8 es una sección de poleas motrices en la línea A-A de la Figura 4.

La Figura 9 es una vista en detalle del área identificada como D en la Figura 4.

La Figura 10 es una vista detallada del conjunto de accionamiento del actuador de la Figura 1.

La Figura 11 es una vista en perspectiva de actuador de la Figura 1 sin bastidor.

La Figura 12 es una vista en perspectiva de una segunda realización del actuador lineal de la invención, habiendo sido retirado parte del carro.

La Figura 13 es una vista en perspectiva de la configuración de correa de transmisión del actuador de la Figura 12.

La Figura 14 es una vista en sección a lo largo de la línea G-G de la Figura 15.

La Figura 15 es una vista superior del actuador de la Figura 12, con el carro completo.

La Figura 16 es una vista lateral del actuador de la Figura 15.

La Figura 17 es una vista en sección a lo largo de la línea F-F de la Figura 15.

La Figuras 18-20 son diagramas de un diseño de actuador lineal y/o giratorio que no corresponde a la presente invención.

La Figura 21 es una variante del diseño de las fig. 18-20.

La Figura 22 es una vista en perspectiva de un diseño de actuador giratorio que no corresponde a la invención.

La Figura 23 es una vista en sección a lo largo de la línea H-H de la Figura 25.

La Figura 24 es una vista en perspectiva de la configuración de correa de transmisión del diseño de la Figura 22.

La Figura 25 es una vista superior del actuador de la Figura 22, y

La Figura 26 es una vista en sección a lo largo de las línea L-L de la Figura 25.

En la siguiente descripción se utilizan los mismos números de referencia para componentes similares de las diversas realizaciones y diseños.

En relación en primer lugar con la Figura 1, el actuador ilustrado generalmente en 10 comprende un bastidor longitudinal 11 con forma de canal que tiene en un primer extremo 12 un conjunto de motor y control indicados generalmente en 14, y teniendo en un segundo extremo 13 una guía de cable de control 15 (véase la fig. 7)

El conjunto de motor y control 14 comprende un bloque de tornillo sinfín 16, cuya base 17 está sujeta a la base del bastidor con forma de canal 11 en el primer extremo 12. La cara trasera 9 del bloque de tornillo sinfín 16 porta un motor eléctrico 19, el cual, a través del acoplamiento 7 (figura 5) hace girar el eje de accionamiento 20 que se proyecta a través de la mencionada cara trasera 9 y termina en un helicoidal impulsor 21 (véanse las figuras 5 y 10). La cara frontal del bloque de tornillo sinfín 16 está cortada para facilitar una abertura frontal 31 (figura 10).

Cada pared lateral 23 del bloque de tornillo sinfín 16 tiene una abertura circular para facilitar un orificio taladrado transversal 24, acomodando cada una de las mencionadas aberturas un cojinete respectivo 25. Cada cojinete 25 está adaptado para recibir y que gire con él un eje 26 que tiene montadas y para que giren con él una rueda helicoidal 27, una primera polea motriz 28 y una segunda polea motriz 29. En esta realización, la rueda helicoidal 27, la primera polea motriz 28 y la segunda polea motriz 29 están formadas como una unidad; se apreciará que la primera polea motriz 28 y la segunda polea motriz 29 se pueden conformar como componentes independientes, pudiendo ser enchavetada cada una de ellas a la rueda helicoidal 27 para que giren con ésta por medios bien conocidos en la técnica, o como se muestra en esta realización, estando unida mediante el pasador 8. La rueda helicoidal y el conjunto de polea están provistos de separadores y arandelas 34 para la correcta ubicación de la rueda helicoidal 27 y sus primera y segunda poleas motrices asociadas 28 y 29 en relación con la abertura frontal 31.

Cada una de las poleas motrices primera 28 y segunda 29 está provista de sus respectivos dientes 32. En la presente realización, el radio, y por tanto, la longitud circunferencial, de la segunda polea motriz 29 es superior al de la primera polea motriz 28, de forma que la segunda polea motriz 29 está provista de un diente más que la primera polea motriz 28 (en otras realizaciones, las poleas motrices pueden diferir en longitud circunferencial en más de un diente). Cada una de las poleas motrices 28 y 29 está adaptada para recibir la envoltura de una correa de transmisión sinfín 40.

La correa de transmisión 40 es una correa continua o sinfín, la cual, en la presente realización, tiene generalmente una sección transversal en forma rectangular que tiene dientes sobre su superficie interna. Cada uno de esos dientes está adaptado para engranar el correspondiente diente 32 sobre las poleas 28 y 29 respectivamente.

Las fijaciones para el bloque de tornillo sinfín 16 también sujetan una prolongación trasera 35 hacia el bastidor 11, prolongación 35 que porta una tarjeta de circuito impreso 36 con la que se controla el motor eléctrico 19.

El segundo extremo 13 del bastidor 11 también porta un conjunto de polea indicado generalmente en 45 (véase la Figura 3). El conjunto de polea 45 está asociado a la guía de cable de control indicada generalmente en 15 (figura 7). El conjunto 45 está sustentado mediante ranuras 46 (figura 1) del bastidor 11, ranuras que tienen un eje transversal 47 (figuras 1 y 7), el cual, por otro lado, porta para su giro en él poleas guía 48 y 49 respectivamente. Cada una de las poleas guía 48 y 49 está adaptada para aceptar una envoltura de la correa 40 y cada una de las poleas guía 48 y 49 puede girar independiente en el eje transversal 47. La posición del eje 47 se mantiene en las ranuras 46 gracias a la tensión de la correa de transmisión 40. La tensión de la correa de transmisión se ajusta durante el montaje según las rampas 6 que actúen sobre los cojinetes 25 del bastidor 11 (véase la Figura 4). En una realización alternativa, al bastidor y medios dispuestos se les puede montar una pieza de apoyo (que se puede retirar) para el eje 47 que sirva para influir y distanciar la pieza de apoyo del conjunto de motor y control 14 a efectos de tensar la correa de
transmisión 40.

El elemento accionado o carro 50 comprende un miembro longitudinal en 51 que tiene una pareja de poleas accionadas 52 y 53 separadas longitudinalmente y montadas para girar en relación a él. Una prolongación delantera 54 del miembro longitudinal 51 porta medios de conexión de tipo conocido generalmente para conectar un cable de control 55 al carro, envolviendo este cable de control 55 alrededor de la espira 59 y sujetándolo con abrazaderas 60 (véase la Figura 9). En esta realización particular, el cable de control 55 se prolonga desde el carro 50 a través del orificio guía 56 dispuesto en la superficie cilíndrica del eje 47 y alrededor de una rueda loca 57 para abandonar el bastidor 11 por medio de la abertura 58. La disposición es tal que el movimiento del carro 50 generalmente a lo largo del eje longitudinal del bastidor 11 resulta en el correspondiente movimiento del cable de control 55.

La correa de transmisión 40 se configura generalmente como se muestra en las figuras 10 y 11. La correa de transmisión pasa de la primera polea motriz 28 a la primera polea accionada 52, de la primera polea accionada 52 a la segunda polea motriz 29, de la segunda polea motriz 29 a la primera polea guía 48, de la primera polea guía 48 a la segunda polea accionada 53, de la segunda polea accionada 53 a la segunda polea guía 49, y de la segunda polea guía 49 de retorno a la primera polea motriz 28. La correa de transmisión 40 define un primer bucle entre la primera polea accionada 52 y las poleas motrices 28 y 29, y un segundo bucle entre la segunda polea accionada 53 y las poleas guía 48 y 49, giro de las poleas motrices 28 y 29 en una primera dirección que provoca un aumento en la longitud del primer bucle y una disminución correspondiente en la longitud del segundo bucle.

Como se aprecia con claridad en la fig. 2, el eje de giro de la primera polea accionada 52 está en ángulo en relación con el eje (común) de giro de las poleas motrices 28 y 29. Ello hace que la trayectoria de la correa de transmisión 40 esté alineada con la polea motriz 28 y la polea motriz 29 sin necesidad de movimiento lateral o deformación de la correa.

Como también se aprecia en la fig. 2, la posición y tamaño de la polea accionada 52 es tal que el eje central 90 de la correa de transmisión 40, es decir, el eje central de las fibras longitudinales de la correa de transmisión en el punto en que la correa de transmisión se une y abandona la polea accionada 52, está alineado con precisión con el eje central 90 de la correa de transmisión 40 en el punto en que la correa abandona o se une a las poleas motrices 28 y 29 respectivamente. Se entenderá que la correa 40 es obligada a retorcerse a medida que se desplaza entre una polea motriz 28 y 29 y la polea accionada 52, pero que el retorcimiento se efectúa alrededor del eje central 90 de las fibras de la correa. Está aceptado que una correa de transmisión de este tipo es menos probable que sufra daño o deterioro si se retuerce alrededor de su eje central, cosa que sucedería si se retorciera alrededor de algún otro eje y/o se necesitara que se desplazara o deformara lateralmente.

Con claridad, no resulta necesario que la polea accionada ponga en línea con precisión la trayectoria de la correa de transmisión con las poleas motrices, ni que el eje central de la correa de transmisión cuando ésta abandona o se une a la polea accionada esté alineado con precisión con el eje central de la correa cuando se une o abandona una polea motriz, pero cuanto mayor sea la desalineación, mayor será la probabilidad de daño y deterioro de la correa, por lo que es preferible una alineación sustancial, siendo lo ideal una alineación precisa.

La relación entre la polea accionada 53 y las poleas guía 48 y 49 es la misma que se muestra en la fig. 2 para que la correa de transmisión 40 sólo sufra un movimiento de retorcimiento (alrededor de su eje central) durante toda la trayectoria del movimiento, sin importar la posición del carro 50. Aunque esta relación ideal entre las poleas está descrita específicamente para la realización de las figuras 1-11, la relación entre las poleas en las otras realizaciones mostradas en las figuras es también ideal, aunque en esas realizaciones, también las poleas podrían estar alineadas sustancialmente en lugar de alineadas con precisión, si así se desea.

En realizaciones que utilizan cadena, cable o similares en lugar de correa de transmisión 40 se podría mantener una alineación sustancial o precisa de las poleas, aunque la ubicación del eje alrededor del cual debería retorcerse idealmente la cadena, cable o similar puede depender de la estructura de ese componente.

Se apreciará que tensando la correa de transmisión 40, el carro 50 puede ser suspendido efectivamente entre el conjunto de polea 45 y el conjunto de motor y control 14. Ello tiene la ventaja de reducir las fuerzas de fricción dentro del actuador, que en caso contrario se ocasionaría al tener el recorrido del carro a lo largo de un carril. En una realización alternativa de la presente invención, cuando no se puede mantener la tensión en los medios de accionamiento continuo o se tiene que controlar la vibración de la correa, se pueden disponer medios de carril para guiar y/o sustentar el carro.

El funcionamiento del motor 19 provoca el giro del engranaje helicoidal impulsor 21. El engranaje helicoidal impulsor 21 engrana la rueda helicoidal 27 y transmite el giro a las poleas motrices 28 y 29. Como la polea motriz 29 está provista de un diente más que la polea motriz 28, el giro de una vuelta completa de cada polea garantizará que la parte de la correa de transmisión 40 que esté envuelta alrededor de la polea 29 avance más que la parte de la correa de transmisión 40 que esté envuelta alrededor de la polea 28 debido al paso de un diente. Ello resultará en un aumento de la longitud del primer bucle de la correa (entre las poleas motrices y la polea accionada 52) por el paso de los dientes y un correspondiente aumento de la distancia entre las poleas motrices 28 y 29 y el carro 50 de la mitad del paso de los dientes. Correspondientemente, la alimentación de la correa de transmisión 40 desde la polea guía 48 avanzará con mayor rapidez debido a la tensión de la polea motriz 29, con el resultado de que se producirá una reducción correspondiente en la longitud del segundo bucle (entre las poleas guía 48 y 49 y la polea accionada 53), y como resultado, el carro 50 será traccionado hacia el segundo extremo 13 del bastidor 11, ampliando así de forma efectiva la longitud del cable de control 55 fuera del bastidor 11.

Invertir la dirección de funcionamiento del motor 19 invierte el efecto sobre el tamaño de los dos bucles descritos anteriormente, resultando en que el carro se moverá entonces a lo largo del bastidor hacia el motor 19 al mismo tiempo aplicando tensión a y/o retrayendo el cable de control 55 hacia el interior del bastidor.

En un actuador convencional para una correa de transmisión que utilice, por ejemplo, una correa dentada cuyos dientes tengan un paso de cinco mm y una polea motriz de 20 dientes, para conseguir una velocidad lineal de carro de 250 mm por segundo necesitaría un índice de giro de 150 r.p.m. en la polea motriz. Para lograr este índice de giro con un motor que funcionara a unas 6.000 r.p.m. típicas se necesitaría una caja de engranajes 40:1. Si la caja de engranajes tiene un grado de desajuste u holgura, ello resulta en una pérdida de movimiento lineal debido a un desajuste u holgura lineal de 0,28 mm. Además, cualquier hueco entre los dientes de las poleas y la correa de transmisión también resultará evidente como desajuste u holgura lineal al invertir el accionamiento.

En la realización de la invención descrita anteriormente, si la primera polea motriz 28 tiene diecinueve dientes y la segunda polea motriz 29 tiene veintiún dientes, teniendo los dientes un paso de 5 mm, el desplazamiento lineal del carro 50 por cada giro del eje común 26 será de 2,5 mm. Como la velocidad lineal requerida es 250 mm por segundo, ello se puede lograr mediante un accionamiento directo en el eje 26 desde el motor a 100 revoluciones por segundo o 6.000 r.p.m. (es decir, sin necesitar la reducción que proporciona el engranaje helicoidal 21).

Se apreciará que debido a la topología de la correa de transmisión 40 y de las poleas accionadas 52 y 53, la tensión se mantendrá para todas las posiciones del carro 50, y dada la calidad de las poleas y correas de transmisión disponibles en el mercado, se puede fabricar de forma económica un actuador de acuerdo con la presente invención que esté sustancialmente exento de desajuste u holgura.

En la realización alternativa de accionamiento de inflexión que se muestra en la Figura 12, las poleas motrices 28 y 29 (que difieren en un diente) son fijas para que giren con el eje motriz de entrada 26. Estas poleas 28 y 29 y el eje motriz 26 están montados en un carro 88 junto con poleas accionadas 52, 53, 84 y 85, las cuales pueden girar libremente en sus respectivos cojinetes. La correa de transmisión 40 pasa de la primera polea motriz 28 a la primera polea accionada 52, de la primera polea accionada 52 a la primera polea guía 48, de la primera polea guía 48 a la tercera polea accionada 84, de la tercera polea accionada a la segunda polea motriz 29, de la segunda polea motriz a la cuarta polea accionada 85, de la cuarta polea accionada 85 a la segunda polea guía 49, desde esta segunda polea guía 49 a la segunda polea accionada 53, y de la segunda polea accionada 53 de retorno a la primera polea motriz 28.

El carro 88 está sustentando por pedestales 87 montados en el carril 86 para permitir el movimiento lineal a lo largo de éste. La configuración de la correa de transmisión se muestra en la Figura 13, definiendo la correa de transmisión 40 un primer bucle entre la primera polea guía 48 y la primera y tercera poleas accionadas 52 y 84, y un segundo bucle entre la segunda polea guía 49 y la segunda y cuarta poleas accionadas 53 y 85. El giro del eje de accionamiento 26 y de las poleas 28 y 29 en una primera dirección provoca un aumento en la longitud del primer bucle y la correspondiente disminución en la longitud del segundo bucle, lo que provoca el movimiento del carro 88 a lo largo del carril 86. El giro inverso del eje de accionamiento 26 invierte la dirección de desplazamiento.

Esta realización tiene la ventaja sobre la primera realización de actuador lineal de tener un desplazamiento más largo para una determinada longitud de correa de transmisión, y es en consecuencia más rígido.

Esta realización requiere montar el motor de accionamiento (no mostrado) en el carro 88, lo que también resulta ser una ventaja en determinadas aplicaciones.

La realización de la Figuras 12-17 también clarifica que la invención es adecuada para su uso en un actuador lineal en que las fuerzas sobre el carro 88 pueden ser en cualquier dirección, y la posición del carro se puede controlar sustancialmente sin desajustes u holgura.

En el diseño que se muestra en las figuras 18-20, las poleas motrices 28 y 29 giran independientemente en los ejes 61 y 62 respectivamente y tienen el mismo número de dientes (aunque en otros diseños podrían diferir en uno o más dientes). Cada uno de los ejes 61 y 62 portan ruedas dentadas o piñones 63 y 64 respectivamente, siendo su disposición que el número de dientes de cada uno de los piñones 63 y 64 difiere en uno (aunque en otros diseños podrían tener el mismo número de dientes o diferir en más de uno). Los engranajes están combinados uno con otro de forma que el giro del eje 61 se transmite al eje 62 en sentido contrario. Ello hace también que la correa de transmisión 40 pase alrededor de las poleas motrices y poleas accionadas sin que se necesite ninguna polea guía para invertir o redirigir la trayectoria de la correa de transmisión.

La correa de transmisión 40 pasa de la primera polea motriz 28 a la primera polea accionada 70, de la primera polea accionada 70 a la segunda polea motriz 29, de la segunda polea motriz 29 a la segunda polea accionada 72 y de la segunda polea accionada 72 de retorno a la primera polea motriz 28. La correa de transmisión 40 define un primer bucle entre la primera polea accionada 70 y las poleas motrices 28 y 29, y un segundo bucle entre la segunda polea accionada 72 y las poleas motrices 28 y 29, giro de las poleas motrices en una primera dirección que provoca un aumento en la longitud del primer bucle y la correspondiente disminución en la longitud del segundo bucle.

A diferencia de las realizaciones descritas, la circunferencia de las respectivas poleas motrices 28 y 29 (y en consecuencia, el número de dientes si son poleas dentadas) es el mismo. Sin embargo, debido a la diferencia en el número de dientes de los engranajes 63 y 64, existe una diferencia correspondiente en las velocidades relativas de giro de las poleas 28 y 29, dando una distinta velocidad circunferencial para las poleas 28 y 29 y por tanto, resultados similares en las realizaciones.

Se debe señalar que las distintas velocidades circunferenciales de las poleas 28 y 29, y por tanto, las distintas velocidades lineales de los elementos accionados o de los elementos en U 71 y 73, se podrían alcanzar para una determinada velocidad de entrada del eje 61 variando la diferencia en el número de dientes de los engranajes 63 y 64, modificando el número de dientes en las poleas 28 y 29 o de ambas formas.

El desplazamiento del elemento en U 73 en un giro del eje 61 es igual a (t1/t2*T2/T1)/2, donde t1 y t2 son el número de dientes en los engranajes 63 y 64 respectivamente y T1 y T2 son el número de dientes en las poleas
28 y 29.

Los elementos con forma de U 71 y 73 están interconexionados por medio de un segundo bucle de la correa 74 que pasa alrededor de la polea 81. El principio de funcionamiento de este diseño es el mismo que se ha descrito anteriormente, pero en este caso, los elementos accionados son el primer y segundo elemento en U 71 y 73 respectivamente. Una segunda ventaja de esta disposición es que los dos elementos accionados pueden proporcionar medios independientes de control para dos funciones distintas (pero relacionadas), pues cada elemento accionado 71 y 73 se desplaza en sentido contrario en el movimiento apropiado del eje de accionamiento 61. Se debe señalar que este diseño se puede utilizar para producir un movimiento giratorio preciso de la polea 81 y el segundo bucle de la correa 74.

Para brazos robóticos accionados por hilo metálico o cable, cuando los hilos o cables de control se utilizan para controlar la flexión de las secciones, se puede utilizar un actuador único para dos cables opuestos retirando el segundo bucle de correa 74 y polea asociada y utilizando cables de control en lugar del segundo bucle de correa 74 para proporcionar la tensión necesaria en el conjunto. La fig. 21 muestra esta disposición en la que el segundo bucle de correa 74 es sustituido por cables de control 55a y 55b.

La disposición del accionamiento y de las poleas accionadas de la Figuras 18-21 se puede utilizar por tanto en un actuador giratorio (para proporcionar un giro controlado de la polea 81) o en un actuador lineal (para proporcionar un movimiento controlado de los elementos accionados 71 y 73 o de los elementos conectados a los cables de control
55a y 55b.

El diseño que se ilustra en las figuras 22-26 es una variante del descrito en las figuras 18-21, en el que un eje central de accionamiento 80 está adaptado para accionar una primera polea motriz 28 y una segunda polea motriz 29 (en este diseño, con una diferencia de dientes de una unidad). La correa de transmisión 40 pasa de la primera polea motriz 28 a la primera polea guía 48, de la primera polea guía 48 a la primera polea accionada 70, de la primera polea accionada 70 a la segunda polea motriz 29, de la segunda polea motriz 29 a la segunda polea accionada 72, de la segunda polea accionada 72 a la segunda polea guía 49 y de la segunda polea guía 49 de retorno a la primera polea motriz 28.

La correa de transmisión 40 define un primer bucle entre la primera polea accionada 70 y la segunda motriz 29 y la primera polea guía 48, y un segundo bucle entre la segunda polea accionada 72 y la segunda polea motriz 29 y segunda polea guía 49, giro de las poleas motrices 28 y 29 en una primera dirección que provoca un aumento en la longitud del primer bucle y una reducción correspondiente en la longitud del segundo bucle.

Los elementos accionados o los elementos en U 71 y 73 proporcionan sujeción a la correa 74 por medio de dispositivos tensores 82 y 83 para proporcionar tensión alrededor de la polea 81 de forma que se pueda lograr un giro controlado de la polea 81. Este diseño tiene la ventaja de contar con un perfil bajo y un retorcimiento mínimo de la correa.

Los diseños de la Figuras 18-20 y figuras 22-26 también dejan claro que un actuador distinto al de la presente invención es apropiado para su uso en un actuador giratorio en que el par de giro en la polea 81 puede ser en cualquier dirección, y la posición angular de la polea pueda ser controlada sustancialmente exenta de desajuste u holgura.

Los actuadores descritos anteriormente ofrecen además la posibilidad de proporcionar una fuerza muy considerable sobre un cable de control 55, o un carro 88, o un considerable par de giro en la polea 81 utilizando un motor de potencia relativamente pequeña. En el diseño preferente, utilizando un engranaje helicoidal como 21, la ventaja mecánica del helicoidal de accionamiento 21 y de la rueda helicoidal 27 es considerable. La ventaja mecánica de la disposición de la correa es llevar a efecto que el carro se desplace la mitad del paso de un diente en un giro completo de la rueda helicoidal 27. De nuevo, la ventaja mecánica es considerable.

Las personas versadas en la técnica apreciarán que la ventaja mecánica se puede modificar cambiando el paso de los dientes de la correa de transmisión 40 y de las poleas motrices 28, 29 y/o alternativamente, cambiando simplemente la diferencia del número de dientes de las poleas motrices. Se pueden efectuar más cambios disponiendo una caja de engranajes adicional dentro del tren de accionamiento entre el motor 19 y el eje de salida 20, pero como se ha indicado anteriormente, ello añadirá costes y no es una opción preferente generalmente.

Se entenderá que en alguna de las realizaciones y diseños descritos, la correa de transmisión 40 flexiona alrededor de las poleas motrices, poleas accionadas y poleas guía (si existen) en la misma dirección, es decir, hacia los dientes de la correa. Las personas versadas en la técnica apreciarán que ello permite (en las realizaciones correspondientes) una reducción en el tamaño de las poleas en comparación con las realizaciones que tienen accionamiento de inflexión.

El solicitante actual ha descubierto que los actuadores de la clase descrita anteriormente resultan en un excelente control de brazos robóticos segmentados del tipo descrito, por ejemplo, en las solicitudes de patente internacional WO2002/016995 y WO2002/100608. Estos actuadores permiten el uso de motores de baja potencia relativa para ejercer una considerable fuerza sobre los cables de control de esos brazos robóticos y lo relativamente compactos que son permite montar un grupo de actuadores en yuxtaposición con el brazo necesitando poco direccionamiento adicional de los cables de control 55.

Claims (8)

1. Un actuador (10) compuesto de:

una primera polea motriz (28);

una segunda polea motriz (29), estando conectadas la primera y la segunda polea motriz para que giren juntas;

una primera polea accionada (52; 70);

una segunda polea accionada (53; 72);

una correa de transmisión sinfín (40) que engrana la primera y la segunda polea motriz y la primera y la segunda polea accionada;

un motor (19) conectado a la primera y segunda polea motriz para hacer girar y accionar la correa de transmisión sinfín;

un elemento accionado (50, 88, 71, 73) que porta como mínimo una de las poleas accionadas;

la primera y segunda poleas motrices estando dispuestas de forma que al girar, la velocidad circunferencial de la primera polea motriz es distinta a la velocidad circunferencial de la segunda polea motriz, haciendo un bucle la correa de transmisión sinfín alrededor de las poleas motrices y las poleas accionadas para que la diferencia entre la velocidad circunferencial de la primera polea motriz y la velocidad circunferencial de la segunda polea motriz provoque el movimiento del elemento accionado,

caracterizado por que la primera polea motriz y la segunda polea motriz están montadas en un eje común (26).

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2. Actuador de acuerdo con la reivindicación 1 en el que las poleas motrices primera y segunda están dispuestos de forma que cuando giran, sus velocidades circunferenciales son distintas porque la primera polea motriz tiene una longitud circunferencial diferente a la de la segunda polea motriz.

3. Actuador de acuerdo con la reivindicación 1 en el que el elemento accionado es un carro (50, 88) montado para movimiento lineal.

4. Actuador de acuerdo con la reivindicación 3 en el que la primera polea accionada y la segunda polea accionada están montadas en el carro (50, 88), incluyendo además el actuador:

una primera polea guía (48) y

una segunda polea guía (49),

engranando también la correa de transmisión sinfín la primera polea guía y la segunda polea guía.

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5. Actuador de acuerdo con la reivindicación 4 en el que las poleas accionadas (52 y 53) están situadas entre las poleas motrices (28 y 29) y las poleas guía (48 y 49).

6. Actuador de acuerdo con la reivindicación 5 en el que la correa de transmisión sinfín pasa de la primera polea motriz (28) a la primera polea accionada (52), de la primera polea accionada a la segunda polea motriz (29), de la segunda polea motriz a la primera polea guía (48), de la primera polea guía a la segunda polea accionada (53), de la segunda polea accionada a la segunda polea guía (49) y de la segunda polea guía de retorno a la primera polea motriz, definiendo la correa de transmisión sinfín un primer bucle entre la primera polea accionada y las poleas motrices, y un segundo bucle entre la segunda polea accionada y las poleas guía, giro de las poleas motrices en una primera dirección que provoca un aumento en la longitud del primer bucle y una reducción correspondiente en la longitud del segundo bucle.

7. Actuador de acuerdo con la reivindicación 5 que tiene una tercera polea accionada (84) y una cuarta polea accionada (85), las poleas motrices (28 y 29) y las cuatro poleas accionadas (52, 53, 84 y 85) estando montadas en el elemento accionado (88), en el que la correa de transmisión sinfín pasa de la primera polea motriz (28) a la primera polea accionada (52), de la primera polea accionada a la primera polea guía (48), de la primera polea guía a la tercera polea accionada (84), de la tercera polea accionada a la segunda polea motriz (29), de la segunda polea motriz a la cuarta polea accionada (85), de la cuarta polea accionada a la segunda polea guía (49), de la segunda polea guía a la segunda polea accionada (53), y de la segunda polea accionada de retorno a la primera polea motriz, definiendo la correa de transmisión sinfín un primer bucle entre la primera polea guía y la primera y tercera poleas accionadas, y un segundo bucle entre la segunda polea guía y la segunda y cuarta poleas accionadas, giro de las poleas motrices en una primera dirección que provoca un aumento en la longitud del primer bucle y una reducción correspondiente en la longitud del segundo bucle.

8. Actuador de acuerdo con la reivindicación 1 en el que se conecta una línea de control (55; 55a, 55b) al elemento accionado, cuyo movimiento provoca el correspondiente movimiento de la línea de control.