ES2367381A1 - Robot tensegrítico. - Google Patents
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Abstract
El robot tensegrítico objeto de la invención permite el movimiento controlado y adaptar su tamaño a diversos espacios, gracias a su configuración basada en una estructura tensegrítica actuada mediante motores controlador por medios electrónicos y de control que determinan la longitud de los elementos controlables de la estructura.
Description
\global\parskip0.950000\baselineskip
Robot tensegrítico.
La presente invención se refiere a un robot
deformable gracias a su estructura tensegrítica.
El objeto de la invención consiste en un robot
deformable que permite adaptar su tamaño a diversos espacios,
gracias a su configuración basada en una estructura
tensegrítica.
Las estructuras tensegríticas, conocidas por su
término en inglés "tensegrity-ies", son una
clase especial de estructuras flexibles cuyos elementos pueden
simultáneamente realizar las funciones de fuerza estructural,
actuación, sensado y control con realimentación. Son estructuras con
un coeficiente resistencia/peso muy alto y fácilmente deformables en
las que, teóricamente, poleas u otros actuadores pueden
tensar/destensar algunos de los cables que las constituyen para
cambiar sustancialmente su forma con un cambio pequeño en la energía
potencial de la estructura.
La definición general de tensegridad es la de
una estructura que mantiene un volumen estable en el espacio por
medio de un conjunto discontinuo de elementos compresivos (barras)
conectados a y por una red continua de elementos tensiles (cables,
cuerdas o tendones, dependiendo de la escala de la aplicación). Las
barras son rígidas y pueden resistir fuerzas compresivas, los cables
no. La mayoría de configuraciones concebibles no guardan equilibrio
y si se construyen se colapsan a otra forma distinta, sólo aquellas
configuraciones estables, gracias a un intrincado balance
tensión-compresión, reciben el nombre de estructuras
tensegríticas.
A mediados de los años 70, Donald Ingber se
planteó una hipótesis en la que se relacionaba las estructuras
tensegrítica con el comportamiento mecánico de las células. Para
comprobarlo, modeló una estructura compuesta por seis barras unidas
con hilos elásticos. Al colocarla sobre una superficie rígida
comprobó que tendía a adoptar una forma aplanada, mientras que sobre
una superficie flexible se alzaba mostrando una conformación más
redondeada. Este comportamiento se ajustaba al observado en células
cuando se depositaban sobre el mismo tipo de superficies. Ingber
concluyó que, desde un punto de vista mecánico, la célula podía
considerarse un sistema de tensegridad. Los descubrimientos en
biología confirmaron esta hipótesis cuando, a principios de la
década de los 80, Keith R. Porter lograba desvelar una red
tridimensional de filamentos en el interior de las células: el
citoesqueleto, que tendrían el mismo papel que las barras y los
cables en las estructuras tensegríticas: equilibrar los esfuerzos
que darían forma y rigidez a la célula.
El robot objeto de la invención está basado en
la estructura tensegrítica tridimensional estable más simple, el
"simplex", formado por 3 barras y 9 cables, si bien el concepto
de robot tensegrítico no depende de la estructura tensegrity en la
que se base el robot.
Los nodos inferiores (n_{1},
n_{2}, n_{3}) van fijados al suelo evitando así
desplazamientos rígidos de la estructura.
Si definimos a como el lado de la base
del triángulo, y tomamos como origen de coordenadas el nodo 1, la
posición de los vectores de los nodos inferiores quedaría del modo
siguiente:
Los nodos superiores van unidos a los nodos
inferiores mediante barras de longitud variable, de hecho esto puede
ser tomado matemáticamente como una vara extensible o amortiguador
con un límite de elongación superior. La barra b_{1} une
los nodos (n_{2}, n_{4}), la barra b_{2}
los nodos (n_{3}, n_{5}) y la barra b_{3}
los nodos (n_{1}, n_{6}). En este caso se ha
realizado una ordenación arbitraria de los nodos y las barras, esta
ordenación puede ser realizada de cualquier forma que respete las
conexiones entre los elementos. Por lo tanto la posición de los
nodos superior puede expresarse como:
Donde l_{b1} indica la longitud real de
la barra b_{i} y donde b_{i} representa un vector
unitario en al dirección de la i-ésima barra.
\newpage
\global\parskip1.000000\baselineskip
Al actuar sobre las barras, y ya que en cada
momento se modifica la longitud de algunas o la de todas ellas, la
longitud de cualquier elemento tensil usado debe variar también.
Para el robot objeto de la invención se utilizan muelles en lugar de
cables, ya que estos primeros pueden ser adaptados de forma pasiva a
la longitud requerida. A pesar de ello es igualmente válido el uso
de cables actuados, es decir con los que se controle de forma activa
su longitud en todo momento.
Cabe destacar que cuando los actuadores están
bloqueados y no se aplican fuerzas externas, la estructura siempre
permanece en un estado de mínima energía.
En el robot objeto de la invención, se
consideran los muelles como elementos carentes de masa y con una
elasticidad lineal con una rigidez k constante e igual para
todos ellos una longitud restante l_{c0}, siendo este
parámetro la medida en la que aún puede incrementar la longitud de
la barra. Así mismo se considera que la rigidez de las barras es
infinita con respecto de la de los muelles.
La posición de referencia para el robot es la
primera correspondiente a una configuración adecuada de tensegridad,
por ejemplo aquella en la cual los muelles están siempre en tensión.
Esto implica que l_{b} = 67 cm usando un valor de 67 cm
para a y tomando l_{c0} = 38 cm. Sin embargo se pueden
generar entradas de control a partir de un valor l_{b}
entorno a 55.92 cm, más exactamente para el rango l_{b}
\in [55.92] cm. Cabe destacar que para el rango l_{b}
\in [55.97] cm la estructura ya no es una estructura tensegrítica
válida ya que los muelles dejan de estar en tensión. Una de las
facetas destacables del robot objeto de la invención es su capacidad
de poder ser desplegado desde una posición plana totalmente plegada
hasta una estructura tensegrítica tridimensional completa, un
simplex.
El robot objeto de la invención dispone de un
total de 15-6-3=3 grados de
libertad, ya que cada barra tiene 5 grados de libertad, hay 6
uniones y 3 restricciones; sin embargo sólo se utilizan tres de esos
seis grados de libertad. Estos tres grados de libertad controlables,
que equivalen al vector de salida, corresponden con las coordenadas
\lambda = (x, y, z)^{T} del centro de masas del triángulo
superior, controladas mediante los datos de entrada de control
correspondientes u = (l_{b1}, l_{b2},
l_{b3})^{T}. El resto de los grados de libertad
quedan restringidos gracias a la energía potencial de los muelles,
la cual debe tener un valor mínimo para llevar y controlar la
estructura en una posición estable. Teniendo un juego de fuerzas en
los nodos y tomando la longitud de cada una de las barras como un
valor fijo, sólo hay una posición estable posible para el robot que
se corresponde con la configuración de autotensión; esta es la
configuración en la cual la matriz de equilibrio del robot no está
vacía. Asimismo, el robot se moverá hacia una configuración de
equilibrio cuando se apliquen fuerzas externas sobre los nodos
estructurales, ya que el robot está subactuado y se utilizan muelles
en lugar de cables, aunque los actuadores estén bloqueados.
La estructura del robot objeto de la invención
tiene una configuración básica que comprende tres barras
controlables mediante los actuadores unidas por cuerdas pasivas en
forma de muelles. Sin embargo, tal y como se ha comentado
anteriormente, esta estructura es básica y el robot puede comprender
más elementos y puede ser construido en base a cualquier estructura
tensigrítica. Para realizar el control del movimiento y
accionamiento de los dispositivos del robot se incorpora una unidad
de control electrónico para los actuadores y un sistema de toma de
datos, en este caso sensores de fuerza.
La parte principal de la estructura es la que
corresponde al diseño de las barras, las barras controlables o
actuadas. Éstas están construidas en dos tubos concéntricos, uno de
13 x 10.5 mm que se desliza dentro de otro tubo de 18 x 15 mm, ambos
de aluminio dada su ligereza, permitiendo una en longitud que varía
entre 55 cm y 92 cm. Como se ha comentado anteriormente la longitud
de las barras se modifica haciendo uso de un mecanismo de tornillo
que va fijado mediante una tuerca al extremo del tubo interno de la
barra y al eje un motor rotatorio. Este motor es del tipo DC
(Faulhaber series 2342) lleva acoplado una unidad de engranajes
realizados en metal (14:1) y un codificador digital (16 pulsos/rev),
quedando colocado en la base de la barra permitiendo, a partir de la
rotación del eje al que va acoplado el tubo interior, la variación
en longitud de la barra. Por razones de seguridad, cada barra
dispone de dos interruptores de parada.
El robot objeto de la invención comprende dos
tipos distintos de articulaciones, las articulaciones inferiores son
del tipo esférico mientras que las articulaciones superiores están
formadas por tres muelles. Las articulaciones inferiores esféricas
permiten total libertad de movimiento a las barras en cualquier
dirección de rotación.
Todo el robot se controla mediante un hardware
de control que está conformado por dos sistemas distintos, por una
parte la unidad de control de movimiento y por otra parte la unidad
de adquisición de datos. El sistema de control de datos la unidad de
determinación de fuerza en los seis muelles mediante sensores
acoplados.
La unidad de control está formada por un
controlador Faulhaber MCDC2805 que dispone una conexión serie RS232
estándar con en ratio de transferencia de 19200 baud. Dado que el
ordenador central al que debe ir conectada la unidad sólo dispone de
un puerto serie y el robot comprende tres motores, se hace necesario
dar respuesta a dos problemas:
- -
- Por una parte las colisiones de datos, cada controlador manda paquetes de información de respuesta de forma asíncrona para transmitir la información de fin de movimiento. Así pues las transiciones se colocan en una configuración de acceso múltiple.
- -
- Por otra parte, el ancho de banda disponible para los puertos serie estándar es de 115200 bps. Esto implica, para el caso particular del robot, que cada controlador puede usar hasta un máximo de 38400 bps. Sin embargo, esta tasa de transferencia puede no ser suficiente si en un futuro se necesitase transmitir más información, como por ejemplo par motor, corriente, etc... o si simplemente se añadiesen más actuadores.
- Ambos problemas se resuelven mediante la implementación de un interruptor serie-Ethernet que utiliza un dispositivo FPGA (Field Programmable Gate Array), que permite un ancho de banda de hasta 100 Mbps. Cada dispositivo que entra en el interruptor FPGA tiene su dirección de red propia, así se evitan situaciones de acceso simultáneo múltiple. Como es lógico, el circuito comprende un interfaz entre el ordenador y el dispositivo FPGA que permite convertir niveles TTL a RS232, y viceversa.
- En lo referente a la unidad de adquisición de datos, ésta comprende una serie de sensores que permiten obtener datos de medida de fuerza en cada muelle, dichos datos aportan una visión amplia para el entendimiento del comportamiento y la respuesta de la estructura. Los sensores de determinación de fuerza que forman parte de la unidad de adquisición de datos comprenden células de carga (Futek, LSB200), acondicionadores de señal (TI SCC-SG24), el ADC (Analog Devices AD7939CB) y otro FPGA (Xilink Virtex4 ML405) el cual filtra, calcula y manda los valores de fuerza medidos y filtrados por el acondicionador de señal al ordenador a través del puerto Ethernet al ordenador una vez han sido convertidos a datos digitales por el convertidor A/D.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, de acuerdo con un ejemplo
preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como
parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde
con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
Figura 1.- Muestra una vista tridimensional del
robot.
Figura 2.- Muestra un detalle de la articulación
esférica.
Figura 3.- Muestra un esquema de los medios de
captación de datos.
Figura 4.- Muestra un esquema de los medios de
control de movimiento.
Figura 5.- Muestra una vista de la articulación
elástica.
Figura 6.- Muestra una sección de la barra
actuadora.
A la vista de las figuras se describe a
continuación un primer modo de realización preferente del robot
objeto de esta invención en el cual la estructura tensegrítica del
robot (1) cambia de altura al mover las tres barras actuadoras (2) a
la misma velocidad.
En este primer ejemplo de realización la
longitud inicial para las tres barras actuadoras (2) es de 670 mm, y
la longitud final es de 920 mm y las velocidades son 1 mm/s. Tal y
como se observa en la figura 1 la estructura del robot está
conformada por tres barras actuadoras (2), seis muelles (3) que se
unen en nodos, las uniones, nodos, de la parte inferior corresponden
a articulaciones esféricas (7) articuladas sobre unos anclajes fijos
(16) ubicados en el suelo o una plataforma fija, mientras que las
uniones de la parte superior de la estructura están conformados por
articulaciones elásticas (8) constituidas por la unión de tres
muelles (3) ubicados en el extremo libre del tubo interior (5) de
cada una de las barras actuadoras (2). El movimiento viene dado por
la extensión de las barras actuadoras (2) generada por el
deslizamiento solidario del tubo interior (5) dentro del tubo
exterior (6), permitiendo la variación de longitud de las barras
actuadoras (2), el movimiento de deslizamiento se inicia con la
activación de los motores (4) que hacen funcionar el mecanismo de
tornillo que empuja el tubo interior (5) de la barra actuadoras (2)
haciendo que se deslice y sobresalga del tubo exterior (6)
provocando el aumento de longitud de la barra actuadora (2) o
reduciéndola al realizar el movimiento contrario en el mecanismo de
tornillo. Esto corresponde a la trayectoria casi puramente vertical
de la estructura desde una altura de 44 cm a 70 cm. En la figura 3
se observa las fuerzas recogidas por las células de carga (13) en
todos, los seis, muelles (3). Se ubican tres células de carga (13)
en la parte superior de la estructura y otras tres células de carga
(13) en la parte inferior.
Todo el proceso de elongación de las barras
actuadoras (2) que genera el movimiento de la estructura, y por
tanto del robot, se controla mediante un ordenador (12) conectado a
un dispositivo implementado sobre una FPGA (11); la estructura se
conecta a través los motores (4) mediante controladores digitales
(9) a un interfaz (10) que enlaza los controladores al FPGA (4), y
de ahí al ordenador (12); desde aquí se controlan los motores (4) y
se determina la elongación de las barras actuadoras (2) y el
movimiento que genera dicha variación de longitud de las barras
actuadoras (2). El control de las células de carga (13) se realiza
mediante la incorporación al ordenador (12) de las señales
procedentes de un convertidor AD (15), señales que han sido
previamente tratadas mediante un acondicionador de señal (14) que
realiza las tareas de adecuación
\hbox{de las señales recogidas
por las células de carga (13) para poder ser
transferidas.}
En una segunda realización de la invención la
estructura del robot (1) describe una trayectoria más compleja. Al
igual que en el ejemplo anterior las longitudes iniciales y finales
de las barras actuadoras (2) es de 44 cm y 70 cm respectivamente,
sólo que ahora la velocidad no es la misma para todas las barras; de
forma que cada una de las barras actuadoras (2) tiene una velocidad
de 2, 4, y mm/s respectivamente. Mientras que la configuración final
es la misma, la trayectoria a recorrer en este segundo ejemplo
corresponde a una trayectoria que forma una especie de escalera de
tres peldaños, la plataforma superior tiende a moverse hacia una de
las barras actuadoras (2) que es la que tiene mayor velocidad. En
este segundo ejemplo al igual que en el ejemplo anterior la
estructura varía en altura entre 44 cmm y 70 cm, pero en esta
ocasión moviéndose de forma simultánea en el plano XY de la
plataforma superior.
Claims (8)
1. Robot (1) tensegrítico caracterizado
porque comprende:
- -
- al menos tres barras actuadoras (2) de longitud variable que tienen un extremo inferior y un extremo superior,
- -
- unos muelles (3) pasivos dispuestos tres a tres, donde tres muelles (3) unen entre sí los extremos superiores de las barras actuadoras (2) formando un triángulo,mientras que los otros tres muelles (3) unen de forma alternada un extremo superior de cada una de las barras actuadoras (2) al extremo inferior de otra barra actuadora (2) o a un anclaje fijo (16) ubicado en el suelo o una estructura fija,
- -
- medios de control de movimiento encargados de controlar el movimiento del robot (1), y
- -
- medios de captación de datos encargados de captar datos de las fuerzas actuando sobre la estructura del robot (1),
donde cada una de las barras actuadoras (2)
adicionalmente comprende:
- -
- un tubo interior (5) que se desliza por el interior de un tubo exterior (6) empujado por un mecanismo de empuje provocando la variación de longitud de las barras actuadoras (2),
- -
- un motor (4) encargado de generar movimiento de rotación que permite el funcionamiento del mecanismo de empuje,
- -
- articulaciones elásticas (8) en el extremo libre del tubo interior (5) y/o en el extremo libre del tubo exterior (6) consistentes en una unión de tres de los muelles (3) sobre una base ubicada en dicho extremos libres.
2. Robot (1) según reivindicación 1
caracterizado porque adicionalmente comprende articulaciones
esféricas (7) de rótula fija entre una esfera ubicada en el extremo
inferior del tubo exterior (6) y uno de los anclaje fijos (16).
3. Robot (1) según reivindicación 1 donde los
muelles (3) son cables activos de longitud variable mediante los
medios de control de movimiento.
4. Robot (1) según reivindicación 1 donde el
mecanismo de empuje es un mecanismo de tornillo.
5. Robot (1) según reivindicación 1 donde la
longitud de las barras actuadoras (2) varía de 55 a 92 cm.
6. Robot (1) según reivindicación 1 donde cada
una de las barras actuadoras (2) comprende al menos dos
interruptores de parada que evitan que el tubo interior (5) abandone
el interior del tubo exterior (6).
7. Robot según reivindicación 1 donde los medios
de control de movimiento comprenden un ordenador (12) al que va
conectado un FPGA (11), que permite la transmisión de datos y
comandos a través de un interfaz (10) enlazado a unos controladores
digitales (9) conectados a los motores (4).
8. Robot según reivindicación 1 donde los medios
de captación de datos comprenden células de carga (13) ubicadas en
los muelles (3) y conectadas a un acondicionador de señal (14)
enlazado a un convertidor A/D (15) conectado al FPGA (11) y a través
de este último al ordenador (12).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200930258A ES2367381B1 (es) | 2009-06-03 | 2009-06-03 | Robot tensegrítico. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200930258A ES2367381B1 (es) | 2009-06-03 | 2009-06-03 | Robot tensegrítico. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2367381A1 true ES2367381A1 (es) | 2011-11-03 |
| ES2367381B1 ES2367381B1 (es) | 2012-09-14 |
Family
ID=44800355
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200930258A Active ES2367381B1 (es) | 2009-06-03 | 2009-06-03 | Robot tensegrítico. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2367381B1 (es) |
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|---|---|---|---|---|
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| CN111206819A (zh) * | 2020-01-17 | 2020-05-29 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于张拉整体结构的可折展式帐篷 |
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-
2009
- 2009-06-03 ES ES200930258A patent/ES2367381B1/es active Active
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| CN110924531B (zh) * | 2019-11-14 | 2020-12-25 | 绍兴文理学院 | 一种适用于张拉整体结构施工的装置 |
| CN111206819A (zh) * | 2020-01-17 | 2020-05-29 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于张拉整体结构的可折展式帐篷 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2367381B1 (es) | 2012-09-14 |
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