ES2343558B2 - Sistema robotico con capacidad todoterreno y brazo manipulador multiple, y elementos de control y sensoriales separables y al mismo tiempo funcionales. - Google Patents
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Abstract
Sistema robótico con capacidad todoterreno y
brazo manipulador múltiple, y elementos de control y sensoriales
separables y al mismo tiempo funcionales. El sistema
consta de una plataforma móvil con tracción por medio de orugas, un sistema de control a bordo, un conjunto de sensores que obtienen información tanto del entorno como de la actitud del sistema robótico en su conjunto y un brazo manipulador múltiple. Este brazo permite al sistema manipular con destreza cargas de interés, como elementos peligrosos o víctimas de desastre. Gracias a que el sistema de control y el sistema sensorial son separables del sistema robótico pero mantienen su funcionalidad y comunican sus consignas y la información del entorno mediante enlaces por radio, la carga de pago del sistema robótico puede incrementarse si es necesario desmontando los mencionados sistema de control y/o sistema sensorial.
consta de una plataforma móvil con tracción por medio de orugas, un sistema de control a bordo, un conjunto de sensores que obtienen información tanto del entorno como de la actitud del sistema robótico en su conjunto y un brazo manipulador múltiple. Este brazo permite al sistema manipular con destreza cargas de interés, como elementos peligrosos o víctimas de desastre. Gracias a que el sistema de control y el sistema sensorial son separables del sistema robótico pero mantienen su funcionalidad y comunican sus consignas y la información del entorno mediante enlaces por radio, la carga de pago del sistema robótico puede incrementarse si es necesario desmontando los mencionados sistema de control y/o sistema sensorial.
Description
Sistema robótico con capacidad todoterreno y
brazo manipulador múltiple, y elementos de control y sensoriales
separables y al mismo tiempo funcionales.
La presente invención pertenece a los sectores
del control y los vehículos de transporte, concretamente al de los
sistemas de control de la posición, rumbo o altitud de vehículos y
al de los vehículos a motor con cargas especiales.
Las operaciones de búsqueda y rescate en
escenarios de desastres plantean importantes problemas a los equipos
de intervención, y en particular a los sistemas robóticos diseñados
para trabajar en ellos: entornos desconocidos y no estructurados,
movilidad sobre terreno difícil, detección y manipulación de
víctimas y material peligroso, o retirada de escombros, por nombrar
sólo unos pocos. Estos problemas implican enfrentarse con diferentes
dificultades en el caso de sistemas robóticos, que cubren distintos
niveles:
- a)
- Locomoción y mecánica. Se han usado robots de pequeño tamaño en minería y en búsqueda de víctimas. Estos elementos, ligeros y de bajo coste, pueden desplegarse en grupos y son útiles para la exploración de derrumbes. Sin embargo, se necesitan vehículos más robustos y potentes que sean capaces de subir por las pendientes del terreno o de moverse sobre los escombros. En este sentido, los vehículos con cadenas proporcionan mejor tracción que los ruedas debido a su mayor área de contacto.
- b)
- La manipulación diestra (es decir, la capacidad de manipular elementos con precisión) se necesita para manejar o retirar elementos peligrosos, como materiales contaminantes o artefactos explosivos. Además, se necesita una elevada relación potencia-peso para poder levantar y mover escombros o víctimas. Se han propuesto varios sistemas robóticos con un manipulador incorporado. Sin embargo la capacidad de carga suele ser limitada, y aún más su destreza, al disponer de un solo brazo. Sobre todo en el caso de sistemas teleoperados, esta característica supone una importante limitación para el operador que lo dirige.
- c)
- Para este tipo de operaciones de rescate se necesita un cierto grado de navegación autónoma. Sin embargo, la selección de los objetivos a un nivel local, y sobre todo la manipulación, requieren la intervención de operadores humanos a través de teleoperación. En este caso, y también de acuerdo con lo expuesto en el punto anterior, las diferencias entre el manipulador y los brazos de un ser humano limitan los resultados.
- d)
- A nivel de percepción, se presentan requerimientos diferentes según se trate de localización de víctimas o materiales peligrosos, o de navegación. En ambos casos son útiles las técnicas tridimensionales, por ejemplo mediante escáneres tridimensionales para generar mapas volumétricos. En cambio, para localizar víctimas en desastres es más útil la visión térmica.
Para solucionar todos estos problemas se han
desarrollado distintos sistemas robóticos. Por ejemplo, en
ES 2 156 767 se propone un sistema robótico con capacidades todoterreno capaz de reconocer una zona afectada para identificar víctimas u objetos de interés. Sin embargo, no dispone de manipuladores que le permitan rescatar víctimas o retirar material peligroso.
ES 2 156 767 se propone un sistema robótico con capacidades todoterreno capaz de reconocer una zona afectada para identificar víctimas u objetos de interés. Sin embargo, no dispone de manipuladores que le permitan rescatar víctimas o retirar material peligroso.
En ES 2 188 411 se describe un robot móvil
dotado de un brazo manipulador de cinco grados de libertad. No
obstante, no es capaz de moverse por terreno desigual y el
manipulador no es capaz de evitar obstáculos en la manipulación al
no superar el límite de los seis grados de libertad.
En US 6 859 359 se describe un sistema modular
de sensores. Dicho sistema permite que un sistema robótico pueda
contar con diferentes tipos de sensores y cambiar entre ellos con
facilidad (a través de la intervención humana), pero no soluciona el
despliegue simultáneo de los mismos en una misma plataforma
robótica.
En US 6 438 456 se presenta un tipo de
controlador remoto para un sistema robótico ligero, pero sus
capacidades se limitan a facilitar la entrada de órdenes y la salida
de la información, cuyo procesamiento no se hace a bordo del
vehículo para limitar su necesidad de capacidad de
procesamiento.
Resumiendo, el estado de la técnica presenta
varias limitaciones:
- 1)
- La intervención en zonas de desastre necesita plataformas móviles capaces de moverse por terreno abrupto, y al mismo tiempo incorporar elementos de manipulación.
- 2)
- La manipulación de elementos peligrosos o la extracción de víctimas exige, por una parte, una estructura lo más parecida posible a la de los brazos de un ser humano, para facilitar la teleoperación; y por otra, una elevada potencia y capacidad de carga.
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- 3)
- Las tareas que debe completar un sistema robótico para aplicaciones de rescate son, por una parte, la navegación en entornos no estructurados, y por otra, la localización de elementos muy concretos (como víctimas o materiales peligrosos). Ambas tareas tienen requisitos muy diferentes desde el punto de vista de los sensores necesarios.
El presente documento describe un sistema
robótico con capacidad todoterreno y brazo manipulador múltiple, y
elementos de control y sensoriales separables y al mismo tiempo
funcionales.
El sistema consta de una plataforma móvil con
tracción mediante cadenas, un manipulador múltiple montado sobre la
plataforma móvil, un sistema de control, un sistema de
comunicaciones inalámbricas, un sistema de sensores externos y un
sistema de sensores internos.
El sistema robótico recibe información del
entorno a través del sistema de sensores externos. Dichos sensores
recaban información acerca de obstáculos, terreno circundante, etc.,
y la envían al sistema de control. Dicho sistema de control genera
órdenes para el sistema de locomoción del sistema robótico, y se
encuentra dividido en dos subsistemas: de alto y bajo nivel. Al
mismo tiempo, los sensores internos proporcionan información acerca
del estado del sistema robótico, de modo que el subsistema de
control de alto nivel pueda generar las órdenes apropiadas para
aproximarse al objetivo de la misión a partir del conocimiento del
estado actual. Estas órdenes son recibidas por el subsistema de
control de bajo nivel que las transforma en consignas apropiadas
para los medios de actuación del sistema robótico. Llegado el caso,
el sistema sensorial y el subsistema de control a alto nivel pueden
desmontarse del sistema robótico para aumentar su carga de pago y/o
disminuir su vulnerabilidad, manteniendo su funcionalidad en todo
momento mediante comunicaciones radio que transmiten la información
del entorno y del propio sistema robótico, por una parte, y las
órdenes por otra.
Sobre la plataforma móvil se encuentra instalado
un brazo manipulador múltiple, que consta de un brazo principal de
cinco grados de libertad más un manipulador doble montado al final
del brazo principal. Este manipulador doble cuenta con dos
manipuladores de tres grados de libertad cada uno, más un cuarto
grado de libertad común a ambos en la unión de los mismos al brazo
principal. Así se dispone en cada uno de los dos elementos
terminales de una serie de nueve grados de libertad, lo que
proporciona redundancia cinemática que permite evitar obstáculos
para manipular una determinada carga. Asimismo, también se
encuentran instalados sobre la plataforma los elementos sensoriales
que necesite la aplicación, como por ejemplo cámaras CCD para
navegación o escáneres láser.
Todo el conjunto se encuentra alimentado
mediante un generador eléctrico instalado a bordo, o en un
remolque.
Figura 1. Esquema general del sistema robótico,
en el que se puede distinguir la plataforma móvil con tracción
mediante cadenas (a), el manipulador múltiple (b) montado sobre la
parte frontal de la plataforma móvil, y el sistema de control (c) en
la parte trasera de la plataforma móvil.
Figura 2. Esquema del brazo manipulador
múltiple, en el que se puede apreciar el brazo manipulador principal
con su primera articulación (d), su segunda articulación (e), la
tercera articulación (f), la cuarta articulación (g) y la quinta
articulación (h); y el brazo manipulador doble (i) montado en el
extremo del brazo principal a través de la articulación (l), y
compuesto por el brazo izquierdo (j) y el derecho (k). En cada uno
de esos brazos pueden apreciarse las articulaciones primera, segunda
y tercera, señaladas como (m), (n) y (o) para el brazo derecho y
como (p), (q) y (r) para el brazo izquierdo.
A continuación se describe un ejemplo de
realización de la invención de carácter no limitativo.
El sistema (Figura 1) consta de una plataforma
móvil con tracción mediante cadenas (a), un manipulador múltiple (b)
montado sobre la plataforma móvil, un sistema de control (c), un
sistema de comunicaciones inalámbricas, un sistema de sensores
externos y un sistema de sensores internos.
La plataforma móvil permite que el conjunto se
desplace por terreno desigual, y cuenta con tracción mediante
cadenas. Cada cadena cuenta con su propio motor, que en la
realización preferida de la invención son de tipo hidráulico por su
mayor relación potencia-tamaño, pero que pueden ser
eléctricos o de otro tipo. Incorpora sensores que informan de la
velocidad, actitud, etc., de la plataforma, y además cuenta con
puntales retráctiles que pueden extenderse para estabilizar el
conjunto cuando se opera el brazo manipulador.
El brazo principal (Figura 2) cuenta con cinco
grados de libertad actuados mediante actuadores que en la
realización preferida de la invención son hidráulicos, pero que
pueden ser, por ejemplo, eléctricos o de otro tipo. Las
articulaciones primera (d), segunda (e), tercera (f), cuarta (g) y
quinta (h) se muestran en la Figura 2. Cada articulación incorpora
sensores angulares que permiten conocer el ángulo en el que se
encuentra respecto al elemento adyacente. En la realización
preferida estos sensores son codificadores angulares ópticos, pero
pueden ser de otro tipo, como por ejemplo potenciómetros o
resólvers.
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El brazo manipulador doble (i) reproduce la
estructura de los brazos humanos, y se encuentra anexo al brazo
manipulador principal. Consta de dos brazos, izquierdo (j) y derecho
(k), que comparten un grado de libertad común (l) que los une al
brazo principal. Además cuentan cada uno con tres grados de libertad
(m, n, o) para la rama izquierda y otros tres (p, q, r) para la rama
derecha. Ambos brazos pueden equiparse a su vez con diferentes
elementos terminales, e incorporan sensores angulares en cada
articulación para conocer el ángulo girado. En la realización
preferida estos sensores son codificadores angulares ópticos, pero
pueden ser de otro tipo, como por ejemplo potenciómetros o
resólvers. Además, cuentan en el extremo con sensores de fuerza y
par de seis ejes (tres fuerzas y tres pares), que permiten conocer
los esfuerzos que cada brazo ejerce con su elemento terminal sobre
el entorno. Adicionalmente, el brazo manipulador doble puede
desmontarse para que el brazo principal monte un elemento diferente,
como por ejemplo una pala, un gancho u otro elemento que pudiera ser
necesario.
El sistema de control está dividido en dos
subsistemas: de bajo nivel y de alto nivel. El subsistema de bajo
nivel se encarga de leer los sensores internos del robot (como por
ejemplo los mencionados en la descripción del brazo manipulador o en
la descripción de la plataforma móvil) y genera las consignas
apropiadas para los actuadores correspondientes de manera que se
alcance el objetivo que le marcan las referencias que recibe del
subsistema de control de alto nivel. Dicho subsistema se comunica
con el subsistema de bajo nivel por medio de comunicaciones por
radio, de manera que puede desmontarse del sistema robótico
manteniendo su funcionalidad completa, al tiempo que se aumenta la
carga de pago disponible del sistema robótico y se reduce su
vulnerabilidad. El subsistema de control de alto nivel recibe la
información de los sensores externos del sistema robótico, que
capturan información del entorno en el que se encuentra el mismo, de
obstáculos, caminos, posibles víctimas, elementos peligrosos, etc.,
y de acuerdo con las tareas dictadas por el operador humano genera
las referencias apropiadas para el subsistema de bajo nivel.
El sistema sensorial está compuesto por los
sensores internos, ya mencionados en la descripción de los
diferentes elementos del sistema robótico, y por los sensores
externos. Como sensores externos el sistema robótico puede
incorporar los que dicte la naturaleza de la misión, pero en la
realización preferida de la invención dispone de una cámara CCD
montada en la plataforma móvil y acoplada a un escáner láser 3D, y
un conjunto de una cámara CCD y una cámara térmica montadas en la
articulación común del brazo manipulador doble.
El sistema permite intervenir en situaciones de
desastres naturales u otras de riesgo en las que no puedan
intervenir seres humanos por las limitaciones del entorno o los
riesgos existentes. Permite moverse en terreno desigual gracias a la
plataforma móvil dotada de cadenas, y dispone de un brazo
manipulador múltiple que permite acceder a zonas difíciles evitando
obstáculos al contar con más de seis grados de libertad desde la
base hasta el extremo. Además, cuenta con una carga de pago que
puede ampliarse desmontando el subsistema de control o el subsistema
sensorial, o ambos, lo que también reduce la vulnerabilidad del
sistema robótico en su conjunto. Las aplicaciones en las que estas
características son necesarias van desde el rescate de víctimas en
desastres como terremotos o derrumbes hasta la retirada o
desactivación de artefactos explosivos.
Claims (5)
1. Sistema robótico con capacidad todoterreno y
brazo manipulador múltiple, y elementos de control y sensoriales
separables y al mismo tiempo funcionales, caracterizado
porque comprende:
- a.
- Una plataforma móvil con tracción mediante cadenas;
- b.
- Un brazo manipulador múltiple, que a su vez comprende un brazo principal de cinco grados de libertad más un manipulador doble con tres grados de libertad en cada brazo y uno adicional común a ambos brazos en el punto de unión con el brazo manipulador de cinco grados de libertad sobre el que va montado, disponiendo cada uno de los dos elementos o brazos terminales una serie de nueve grados de libertad;
- c.
- Un sistema de control, que a su vez comprende un subsistema de bajo nivel y subsistema de alto nivel que se comunican entre sí mediante un sistema de comunicaciones inalámbricas; y
- d.
- Un sistema sensorial, que a su vez comprende sensores internos que obtienen información del estado del sistema robótico y sensores externos que obtienen información del entorno de trabajo.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Sistema robótico con capacidad todoterreno y
brazo manipulador múltiple, y elementos de control y sensoriales
separables y al mismo tiempo funcionales según la reivindicación
anterior caracterizado porque las comunicaciones inalámbricas
son por radio.
3. Sistema robótico con capacidad todoterreno y
brazo manipulador múltiple, y elementos de control y sensoriales
separables y al mismo tiempo funcionales según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque el
subsistema de control de alto nivel y el sistema de sensores
externos pueden desmontarse del sistema robótico y mantener su
funcionalidad gracias al enlace de comunicaciones por radio.
4. Sistema robótico con capacidad todoterreno y
brazo manipulador múltiple, y elementos de control y sensoriales
separables y al mismo tiempo funcionales según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque:
- a.
- El sistema de tracción incorpora sensores y puntales retráctiles que pueden extenderse para estabilizar el conjunto cuando se opera el brazo manipulador; y
- b.
- Los sensores del brazo manipulador principal y/o del brazo manipulador doble son codificadores angulares ópticos, potenciómetros, resólvers, o sensores de fuerza y par de seis ejes.
\vskip1.000000\baselineskip
5. Sistema robótico con capacidad todoterreno y
brazo manipulador múltiple, y elementos de control y sensoriales
separables y al mismo tiempo funcionales según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende
además una cámara CCD montada en la plataforma móvil y acoplada a un
escáner láser 3D, y un conjunto cámara CCD - cámara térmica montadas
en la articulación común del brazo manipulador doble.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20100803 Kind code of ref document: A1 |
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| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2343558 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B2 Effective date: 20110817 |