ES2525773B2 - Robot submarino modular - Google Patents

Abstract

Robot submarino modular.#La presente invención trata de un robot submarino modular con una pluralidad de brazos que es transformable en ROV para trabajos en fondos marinos y en construcciones marinas, es un robot con brazos de morfología humanoide que se corresponde con las proporciones cinemáticas de un humano para realizar trabajos y/o para desplazarse y trepar haciendo uso de sus extremidades.#El objeto de la invención es proporcionar un único dispositivo o robot modular escalable en la cantidad de brazos robóticos que puede combinar funcionalidades de navegación, manipulación y desplazamiento en cualquier dirección gracias a la configuración de sus brazos robóticos e impulsores marinos.

Description

DESCRIPCIÓN

Robot submarino modular.

OBJETO DE LA INVENCIÓN 5

La presente invención trata de un robot submarino modular, con una pluralidad de brazos que es transformable en ROV para trabajos en fondos marinos y en construcciones marinas. El robot tiene brazos de morfología humanoide, correspondiéndose con las proporciones cinemáticas de un humano para realizar trabajos y/o para desplazarse y trepar haciendo uso de 10 sus extremidades.

El objeto de la invención es proporcionar un único dispositivo o robot modular escalable en la cantidad de brazos robóticos, pudiendo que puede combinar funcionalidades de navegación, manipulación y desplazamiento en cualquier dirección gracias a la configuración de sus brazos 15 robóticos e impulsores marinos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los trabajos que deben realizarse sobre estructuras bajo agua como cascos de barcos, 20 estructuras de plataformas petrolíferas, recipientes nucleares, bases de construcciones civiles como puertos, columnas de puentes, presas, o fondos marinos en general, requieren de dispositivos que se puedan desplazar apoyándose sobre la superficie de trabajo.

Existe una importante diferencia en las características técnicas de los trabajos en entornos 25 submarinos.

Por una parte están los trabajos submarinos que implican navegar impulsándose en el agua, por ejemplo en trabajos de exploración, toma de muestras, trabajos mecánicos en entornos relativamente diáfanos, etc. Frecuentemente caracterizados por obstáculos laterales o porque 30 se realizan a distancia o puntualmente sobre un entorno concreto de una superficie; en todos estos casos se utilizan vehículos tipo ROV. Los cuales a menudo pueden portar brazos mecánicos y herramientas de trabajo. Los movimientos de estos vehículos están caracterizados por un alto grado de dificultad en las maniobras de navegación, en especial las de manipulación, por estar implicados varios factores como son las perturbaciones causadas 35 por las corrientes marinas, colisiones con salientes de obstáculos, etc. En cualquier caso los vehículos tipo ROV no son aptos para desplazarse ni trepar a lo largo de una superficie inmersa, incluso a una distancia corta de ella, los salientes pueden obstaculizar su correcto funcionamiento, afectando la estabilidad de la navegación y pudiendo causar bloqueo del vehículo o serios daños mecánicos por colisiones. 40

Por otra parte están los trabajos que deben realizarse sobre superficies de cuerpos sumergidos o instalaciones submarinas. A menudo, estos trabajos deben realizarse a lo largo de la superficie en cuestión. En estos casos es necesario que el vehículo se desplace, vinculado por una serie de extremidades a la superficie de trabajo, con el fin de caminar, reptar o deslizarse 45 sobre la misma. Estos requisitos funcionales tienen una implicación sobre la arquitectura del vehículo o dispositivo que debe realizar este tipo de trabajos. En esencia se trataría de un dispositivo con varias extremidades que se apoyarían sobre la superficie con capacidad de sujetarse, para dar estabilidad al desplazamiento y al trabajo que se debe realizar.

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En la técnica actual no existe un dispositivo submarino que reúna las características de navegar-manipular-caminar.

Un estudio del estado de la técnica indica que los robots que navegan desarrollados para

trabajos en entornos submarinos, son conocidos en el estado de la técnica como ROV. Los vehículos submarinos, también llamados robots ROV (notación anglosajona para Remotely Operated Vehicle) se diferencian de otros tipos de dispositivos submarinos porque están conectados con su centro de control mediante un cable umbilical, a través del cual se le suministra potencia y se establecen las comunicaciones bidireccionales de datos de control y 5 monitorización de la actividad.

Existen patentes de vehículos submarinos que estan relacionados con ROVs, pudiendo destacar la patente US2012210926 (A1), que presenta un ROV típico basado en su alimentación por cordón umbilical y múltiples impulsores en los ejes coordenados. Tomando 10 este caso, hay una serie de patentes que presentan robots submarinos de semejantes morfologías, pero nunca como robots que se pueden transformar como ROVs o robots con brazos duales humanoides. En general y en consecuencia, ninguna patente refleja la invención de un robot ROV que se puede transformar en un robot con brazos duales humanoides.

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De otra parte, está en pleno desarrollo comercial una nueva generacion de robots con brazos duales, que tiene morfologia humanoide y que se empiezan a aplicar en labores complejas como ensamblado, clasificación, embalaje o en labores domésticas. Uno de los avances más esperados para una nueva generación de robots es el aumento en su capacidad de hacer más tareas que hacen los seres humanos. De hecho, varios fabricantes están desarrollando robots 20 comerciales con brazos duales que se preparan para tener un rendimiento similar al de los trabajadores humanos, varias empresas lo están haciendo, por ejemplo, empresas como: ABB, COMAU, Nachi, Motoman, Epson, Kuka, Rethink Robotics, por ejemplo vease la patente D0655324 (USD655324 S1) de la empresa ABB, o desarrollos industriales como el de la firma MOTOMAN (
http://www.zycon.com/News-Press-Releases/Read/Motoman-Dual-Arm-SDA-25
Robots-Provide-Human-Like-Flexibility-R827.html ).

En la literatura se han propuesto robots submarinos con brazos dobles (
http://www.j-mst.org/On_line/admin/files/08-04097_887-894_.pdf), en la misma línea el robot de morfología humanoide del profesor Oussama Khatib de la Universidad de Stanford (
http://www.redsearobotics.net/) pero ninguno de estos robots se desarrollan en el sentido de 30 modularidad, morfología humanoide y tipo de trabajos submarinos como el que se propone en esta invención.

Sin lugar a dudas los robots con brazos duales están aquí para quedarse, básicamente para sustituir a los operadores humanos en labores de manipulación, incluso en trabajos delicados 35 de manipulación. Las tareas de manipulación involucran un proceso complejo, caracterizado por las fuerzas de contacto no lineales con comportamientos dinámicos.

Por lo tanto un robot submarino, que sea modular y que tenga una pluralidad de brazos y de impulsores es uno de los retos y desarrollos más inminetes en la robótica submarina por su 40 potenciual en realizar a grandes profundidades o en entornos incompatibles con humanos como reactores nucleares, labores humanas complejas que implican el uso de dos brazos.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

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El robot submarino con brazos humanoides transformable en ROV para trabajos en fondos marinos y en construcciones marinas, es un robot con brazos de morfología humanoide que se corresponde con las proporciones cinemáticas de un humano para realizar trabajos y/o para desplazarse y trepar haciendo uso de sus extremidades.

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El robot tiene al menos dos brazos de morfologia humanoide. Cada brazo tiene al menos 5 grados de libertad, aunque uno de los brazos puede tener menos grados de libertad, pudiendo ser tres grados de libertad suficientes para que funcione como brazo de apoyo. Los brazos son servo accionados electricamente o hidráulicamente en funcion de la profundidad de trabajo y

cuatro impulsores marinos servo-accionados eléctricamente. Mediante este número de grados de libertad en conjunción con su diseño cinemático, el robot puede configurarse de dos maneras. El robot puede estar en la configuración de ROV para navegar, mediante impulsores marinos a hélice estratégicamente situados, o en la configuración humanoide si el robot despliega sus brazos para desplazarse mediante movimientos de trepado, funcionalidad que 5 corresponde a desplazarse por superficies escabrosas con la ayuda de los brazos (extremidades superiores).

La razón para tener este tipo de capacidad de transformación en ROV o humanoide, obedece a que en los entornos submarinos para desplazarse de un lugar a otro en una distancia 10 importante, es preferible navegar mediante el uso de impulsores marinos. La navegación, por lo tanto, es inherente a cubrir distancias importantes en un entorno de trabajo. Cuando el trabajo submarino esta caracterizado por operaciones sobre entornos locales de fondos marinos o sobre estructuras o construcciones submarinas, entonces es preferible desplazarse apoyándose y sujetándose, si es el caso, sobre la superficie, lo cual implica que no se puede 15 navegar por el contacto sólido entre el robot y el medio.

El tronco del robot está formado por una serie de modulos estancos en los que se encuentra alojado un computador de control, los servoamplifiacores de potencia, la instrumentación y los sistemas de navegacion. El sistema de control del robot está formado por una arreglo de servo 20 amplificadores de potencia eléctricos ensambladoss sobre una placa que concentra las conexiones, o servoválvulas hidráulicas en caso de actuacion servohidráulica.

Cada par de brazos esta soportado por una estructura que hace las veces de hombro. Cada brazo completo es actuado por un servo accionamiento dispuesto en la estructura del hombro. 25 Esta articulación sirve para abrir o cerrar el mecanismo completo del brazo. La cadena cinemática del eslabón correspondiente al brazo, está formada por el brazo, antebrazo, la muñeca y la mano. Individualmente cada elemento del mecanismo del brazo es accionado por sendos servo accionamientos. La cadena cinemática del brazo, empieza por un eslabón servo actuado articulado al hombro, también llamado brazo. A continuación del brazo está el 30 antebrazo con tres grados de libertad servo actuados. En el extremo del antebrazo hay una muñeca rotatoria servo actuada, que tiene adosada una garra similar a una mano que también es servo actuada. Por lo anterior cada brazo, a partir del hombro, dispone de seis grados de libertad.

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El robot puede incorporar en su sistema de control, sistemas de percepción basados en camarás de visón, sensores utrasónicos, unidade inerciales, etc.

El robot lleva incorporados al menos cuatro motores impulsores a hélice que están dispuestos por pares dos verticales y dos horizontales, o los cuatro impulsores verticales según la tarea 40 de navegacion y trabajos del entorno marino.

El robot submarino modular con brazos humanoides transformable en ROV para trabajos en fondos marinos y en construcciones marinas, es aplicable para realizar tareas de manipulación, trabajos mecánicos y en general intervenciones mecánicas. 45

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, se acompaña la presente memoria 50 descriptiva, formando parte integrante de la misma, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1.- Muestra una vista de perspectiva de la modularidad del robot submarino con

brazos humanoides

La figura 2.- Muestra una vista de perspectiva del robot submarino con dos brazos duales humanoides

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La figura 3.- Muestra una vista de explosión que muestra los módulos del robot submarino con brazos humanoides.

.

La figura 4.- Muestra una vista de planta que ilustra la disposición modular de los impulsores 10 marinos.

Las figura 5.- Muestra un corte que ilustra la modularidad del robot submarino con brazos humanoides.

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Las figuras 6, 7, 8, 9.- Muestran unas secuencias de desplazamiento sobre una superficie usando brazos duales simétricos que pueden realizar tareas de inspección simultáneamente o trabajos mecánicos.

La figura 10.- Muestra una vista en perspectiva del robot submarino con brazos duales, con 20 uno de los brazos con reducido grado de libertad para servir de apoyo.

Las figuras 11, 12, 13, 14.- Muestran vistas de una secuencia de desplazamiento sobre una superficie, apoyándose en un brazo de reducidos grados de libertad y trabajando con otro brazo de morfología humanoide. 25

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un robot submarino modular con brazos humanoides que 30 puede desplazarse sobre el fondo marino o puede reptar o trepar a lo largo de una construcción submarina mediante el uso de sus extremidades formadas por múltiples brazos. El robot también puede navegar como un ROV, transformando su cinemática desde una configuración de robot con brazos humanoides a la configuración de un vehículo submarino operado remotamente (Remotely Operated Vehicle: ROV). 35

En la figura 1 se representa una vista de explosión del robot submarino, que puede ser movido por los impulsores a hélice (2A), (2B), donde un par de esto impulsores puede estar en configuración horizontal. El robot está formado por el conjunto de modulos del torso (5A), (5B), brazos (1), muñecas (8), cabeza (6). Se observan los soportes (14) para el ensamble de brazos 40 humanoides y otros tipos de componentes como cámaras de visión (7).

En la figura 2, se representa una vista del robot modular, que puede ser movido por los impulsores a hélice (2A), (2B) y está formado por el conjunto de modulos del torso (5A), (5B), los brazos duales brazos (1), muñecas (8), cabeza (6), cámaras (7). 45

En la figura 3, se representa el concepto de modularidad. Los modulos (5A) y (5B) se pueden ensamblar a través de las guías (12). Los módulos se pueden conectar entre si mediante los conectores estancos (15A) y los elementos perifericos externos, tales como los brazos (1) o las cámaras de visión (7) o sonares mediante los conectores estancos (15B). Los soportes para 50 perifericos (14) sirven para ensamblar los brazos (1) y los soportes (13) para ensamblar los impulsores de helice (2A) y (2B) de la figura 1. Las ranuras (12) juegan un papel fundamental en la modularida, pues estas ranuras (12) sirven para unir los módulos entre si y para ensamblar los soportes de lo perifericos. De similar manera los conectores estancos (15A y

15B) permiten conectar la potencia y el control entre los módulos (5A y 5B) y los perifericos tales como los brazos (1) e impulsores a hélice (2A y (2B).

En la figura 5, se aprecia en un corte en el que la modularida permite dividir en partes especificas los alojamientos para el control y para la potencia, pudiendose adicionar tantos 5 módulos como fuesen necesarios para baterias, por ejemplo.

El aspecto fundamental de la presente invención es un robot versátil para trabajos en los fondos marinos y su entorno o sobre superficies submarinas, por ejemplo en superficies de construcciones marinas, pudiendo ser estas superficies de recipientes de reactores nucleares. 10 Los trabajos submarinos en un entorno amplio para su eficiente realización requiere combinar la capacidad de navegar para desplazarse y evadir los obstáculos del suelo, con la capacidad de moverse localmente al nivel del suelo mediante brazos (extremidades). La complejidad del trabajo puede exigir al menos un brazo (1) o mas brazos (1) que pueden ser ensamblados en las ranuras (12) y conectados al tronco del robot (5) mediante las conexiones estancas (15). 15

En consecuencia, la presente invención trata de un robot modular con múltiples brazos de morfología humanoide. Este robot, por ejemplo con un sistema de brazos duales (1) como muestra la secuencia de desplazamientos de las figuras 6,7,8,9,10 y 11 puede desplazarse a lo largo de la superficie de un recipiente moviendo los brazos (1), fijando un brazo (1) sobre un 20 objetivo y desplazando el otro brazo (1) hacia otro objetivo. Entre estos movimientos, cada brazo puede realizar tareas de inspección (tomar datos mediante sensores) mientras esta anclado a la superficie.

En la siguiente secuencia basada en la configuración de robot modular de la figura 10 , con un 25 sistema de un brazo (1) y un brazo de apoyo de reducido grados de libertad, 3 grados de libertad (16) y (17), como muestra la secuencia de desplazamientos de las figuras 11 a 14, el robot puede desplazarse a lo largo de la superficie de un recipiente moviendo los brazos (1) y (17), fijando un brazo (17) sobre un objetivo y desplazando el otro brazo (1) hacia otro objetivo. Entre estos movimientos el brazo (1) puede realizar tareas de inspección (tomar datos 30 mediante sensores) mientras (17) esta anclado a la superficie.

Por último, decir que los módulos (5) son estancos e independientes, los cuales son susceptibles de incorporar, entre otros componentes, un computador de control a bordo e instrumentación (10), así como sistemas de potencia y servo-control y baterías (11). 35

Claims (1)

1. 1ª.- Robot submarino modular, caracterizado porque se constituye a partir de un tronco formado por una pluralidad de módulos (5), como (5A) y (5B) que tiene en común unas ranuras 5 (12) que sirven para ensamblar y fijar mecánicamente los módulos (5), incluyendo además una pluralidad de de brazos robóticos (1) ó (16) y (17), y otros componentes, tales como impulsores (2A) y (2B) que van ensamblados sobre soportes (13) los cuales a su vez van encajados sobre las ranuras (12) de los módulos (5), formando un conjuntoconstitutivo del propio robot submarino modular. 10

   2ª.- Robot submarino modular, según la reivindicación 1ª, caracterizado porque la pluralidad de módulos (5) y la pluralidad de sistemas periféricos, tales como brazos robóticos (1) ó (16) y (17), y otros componentes como los impulsores (2A) y (2B) son susceptibles de conectarse eléctricamente entre si mediante una pluralidad de conectores estancos de potencia y señal 15 (15A) y (15B).

   3ª.- Robot submarino modular, según la reivindicaciones 1ª y 2ª, caracterizado porque la pluralidad de módulos (5), son estancos e independientes y son susceptibles de contener una pluralidad de componentes, tal como un computador de control a bordo e instrumentación (10), 20 sistemas de potencia y servo control y baterías (11)

   4ª.- Robot submarino modular, según la reivindicaciones 1ª, 2ª y 3ª, caracterizado porque la pluralidad de impulsores (2A), (2B) están preferentemente alineados de forma simétrica vertical o incluso un par de impulsores (2A) alineados de manera vertical y un par de 25 impulsores (2B) alineados de manera horizontal.

   5ª.- Robot submarino modular, según la reivindicaciones 1ª, 2ª, 3ª y 4ª, caracterizado porque la pluralidad de los brazos robóticos de morfología humanoide (1) sson susceptibles de ensamblarse sobre las ranuras (12) para formar un conjunto de cuatro o dos brazos con una 30 pluralidad de grados de libertad de, al menos, cinco por cada brazo (1).

   6ª.- Robot submarino modular, según la reivindicaciones 1ª, 2ª, 3ª y 4ª, caracterizado porque la pluralidad de los brazos robóticos de morfología humanoide (1) son susceptibles de combinarse con brazos de reducidos grados de libertad (16), (17) para que sirvan de brazos de 35 trabajo y de soporte, respectivamente, los cuales se pueden ensamblar sobre las ranuras (12) para formar un conjunto dual de brazos con una pluralidad de grados de libertad de, al menos, tres por cada brazo.

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