ES2907801B2 - Sistema mecánico de actuación para un brazo robótico flexible - Google Patents
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Description
DESCRIPCIÓN
Sistema mecánico de actuación para un brazo robótico flexible
Sector técnico
En los últimos años, gracias al progreso en las ciencias de los materiales y los avances en los sectores de automatización y robótica, se ha producido un crecimiento en la investigación y desarrollo en el área de la robótica adaptable (en inglés, soft robotics) donde destacan los brazos robóticos continuos, con excelentes capacidades de adaptación a diferentes entornos de difícil acceso.
A diferencia de los robots tradicionales, conformados por estructuras no deformables y articulaciones rígidas, los robots continuos son estructuras flexibles "invertebradas" que pueden cambiar de forma sin necesidad de articulaciones y enlaces rígidos. Este nuevo tipo de brazo robótico tiene excelentes propiedades de flexión, puede modificar su geometría de forma suave y flexible y, por tanto, tiene la capacidad de cambiar su configuración según la condición de los obstáculos del entorno, por lo que presentan una adaptabilidad única al entorno con espacio de trabajo limitado.
Para dotar al brazo de estas propiedades, además de contar a menudo con una estructura de material flexible, se utilizan diversos métodos de actuación. En este tipo de robots es habitual encontrar actuadores basados en la deformación de materiales con memoria de forma (en inglés, Shape Memory Alloys, SMA), así como el uso, por ejemplo, de sistemas neumáticos e hidráulicos que permiten contraer y extender geometrías construidas de materiales altamente flexibles, que son capaces de modificar su forma temporalmente para adaptarse a diferentes entornos y superficies de formas complejas.
Antecedentes de la invención
Uno de los aspectos claves en el desarrollo de brazos robóticos es su principio de funcionamiento. En el caso de brazos robóticos continuos, se han desarrollado diferentes soluciones para conseguir brazos con altas capacidades de movilidad y adaptabilidad a ambientes estrechos y de difícil acceso. Dentro de estos desarrollos se destacan a continuación los mecanismos de accionamiento implementados, al igual que el método de control utilizado para modificar la forma del brazo.
En relación con los mecanismos de accionamiento, se encuentran actualmente una gran cantidad de soluciones basadas en sistemas hidráulicos y neumáticos. En estos casos se suele controlar cada segmento de manera individual, permitiendo un control elevado del
recorrido en lugar de únicamente el final. Un ejemplo de estas soluciones se presenta en la patente US2006156851A1 presentada por Jacobsen Stephen, Marceau David, Markus David y Zurn Shayne, donde cada segmento es controlado mediante cuatro vejigas que se expanden y contraen usando un fluido, modificando así la dirección y posición del extremo del segmento al que están acopladas.
Otra solución empleada consiste en la implementación de sistemas “motor-tendón”. Estos sistemas consisten generalmente en el control de una estructura flexible que está fija sobre una base, mediante un conjunto de cables que se recogen o extienden para obligar al extremo opuesto de la estructura a flexionarse en una dirección concreta. El uso de este método de accionamiento se evidencia en la patente US10111722B2, registrada por The Chinese University of Hong Kong, basada en un sistema con dos brazos robóticos continuos capaces de moverse con cuatro grados de libertad mediante cuatro tendones; o en el brazo presentado por la Civil Aviation University of China en la patente CN105690378A, que es capaz de controlar distintos grupos de eslabones colocados en serie.
Dentro de este método, existen distintas formas para asegurar que la estructura flexible del brazo siga la trayectoria deseada. Entre ellos está elegir la rigidez de las uniones, incrementando o disminuyendo el tamaño de la sección flexible en zonas concretas. Un ejemplo de esta práctica se puede observar en la patente EP3666475A1 de Rolls Royce PLC, donde se muestra cómo al modificar la forma, disposición y cantidad de uniones flexibles entre los segmentos se obtienen distintos tipos de flexión, que varían en función de la tarea que vaya a ejecutar el brazo. Luego, para dotar de flexibilidad al brazo, las uniones entre segmentos se realizan con materiales flexibles, tales como aleaciones con memoria de forma (SMA) o polímeros con memoria de forma (en inglés, Shape Memory Polimers, SMP)
Por otra parte, se encuentra la patente CN106891330A presentada por Tianjin University of Technology, donde se presenta un sistema de accionamiento híbrido en el que cada segmento se controla tanto con un actuador neumático como con dos sistemas motor-tendón. También se destaca la patente WO2019040430 del Massachusetts Institute of Technology, que muestra un brazo en el que cada segmento está controlado mediante tres sistemas de plataforma de tijera que modifican la posición y orientación del extremo del segmento. Este último sistema permite que el brazo sea retráctil al poder encoger cada segmento.
Considerando por último las capacidades de retracción del sistema de accionamiento, se encuentran diferentes soluciones de las cuales se destacan las encontradas en la patente EP2375104A1 de Kawabuchi Mechanical Engineering Laboratory inc., en la que se presenta un brazo robot (no flexible) capaz de extenderse y contraerse linealmente, pudiendo enrollarse
dentro de una pieza de soporte; la patente W02008/154408 de Wayland Tobey, donde se muestra un brazo robot continuo montado sobre una plataforma capaz de rotar que facilita la retracción del brazo, ya que la rotación facilita al enrollado del brazo sobre el cuerpo del robot, además de añadir un grado de libertad; y la patente CN107225564A del Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, donde se observa un brazo robot continuo controlado por un sistema de cables que, al igual que la anterior patente, es capaz de enrollarse sobre una plataforma rotatoria para ocupar menos espacio.
Descripción de la invención
El sistema mecánico de actuación para un brazo robótico de la presente invención comprende al menos dos conjuntos de accionamiento que comprenden a su vez al menos dos medios de accionamiento. El sistema mecánico de actuación comprende además al menos dos conjuntos de soporte que comprenden al menos dos tiras con una dureza Shore media, conectándose mecánicamente cada tira con un único medio de accionamiento respectivo. Las al menos dos tiras de cada conjunto de soporte están unidas entre sí mediante una unión unidireccional en dirección longitudinal. Dichas al menos dos tiras comprenden cada una un primer extremo longitudinal de tira y un segundo extremo longitudinal de tira. El sistema mecánico de actuación comprende además al menos dos placas, en donde cada placa está conectada de forma fija con el primer extremo longitudinal de tira de una de las al menos dos tiras de cada conjunto de soporte en un punto de conexión, formando cada placa conectada con sus respectivas tiras un segmento del brazo robótico.
De forma más ilustrativa la invención consiste en un sistema mecánico de actuación para un brazo robótico capaz de deformar cada segmento que lo compone de forma cuasi independiente, permitiendo la extensión y retracción de estos segmentos, usando varias tiras que funcionan a modo de estructura. Debe haber al menos dos conjuntos de soporte que comprenden al menos dos tiras para llevar a cabo la invención. Estas tiras se accionan mediante unos medios de accionamiento, imitando un sistema motor-tendón. Sin embargo, el uso de materiales de dureza Shore media, preferiblemente entre 70A y 95A según ISO 7619-1:2010, para las tiras permite que cada una de las tiras funcione tanto como estructura del actuador como de tendón de los otros actuadores del segmento, simplificando así el diseño.
Cada segmento comprende una placa conectada de forma fija con una sola tira de cada conjunto de tiras. Se puede variar el número de conjuntos de soporte y por tanto el número de tiras correspondientes a cada placa en función del número de grados de libertad deseado de cada segmento.
Si se pretende tener por ejemplo dos grados de libertad entre dos segmentos, se requerirán por lo menos dos conjuntos de soporte que comprenden dos tiras, conectando una sola tira de cada conjunto de soporte de forma fija con cada placa respectivamente. Por tanto, cada segmento está configurado para ser controlado por un número variable de tiras en función de los grados de libertad deseados en el segmento.
Las tiras se conectan mecánicamente con las placas en unos puntos de conexión de forma que cambiando la extensión de cada tira se consigue desplazar la posición de los puntos de conexión y, por lo tanto, la orientación y posición de la placa. Además, las tiras son capaces de deslizarse entre sí mediante unas uniones unidireccionales en dirección longitudinal permitiendo que las tiras se desplacen por el recorrido de otras tiras que forman parte del mismo conjunto de soporte.
Breve descripción de los dibujos
A continuación, se describen realizaciones ejemplares no limitantes de la presente invención con referencia a los dibujos adjuntos, para complementar la descripción que se está realizando.
La Fig. 1 muestra una vista isométrica de un conjunto de accionamiento que comprende dos medios de accionamiento y dos tiras de un conjunto de soporte.
La Fig. 2 muestra una vista isométrica de un segmento de tres grados de libertad formado por una placa y tres tiras.
La Fig. 3 muestra una vista isométrica de la unión entre dos tiras mediante una unión unidireccional en dirección longitudinal.
La Fig. 4 muestra una vista isométrica de un conjunto de accionamiento que comprende dos medios de accionamiento, dos piñones y una carcasa que envuelve los medios de accionamiento y los piñones, además se muestra un conjunto de soporte de dos tiras.
La Fig. 5 muestra una vista isométrica de una realización de dos conjuntos de accionamiento que comprenden dos medios de accionamiento encapsulados en una carcasa y fijados a una base y dos conjuntos de soporte que comprenden dos tiras, acoplada cada tira a un medio de accionamiento.
La Fig. 6 muestra una vista isométrica de una realización de dos conjuntos de accionamiento que comprenden dos medios de accionamiento y dos conjuntos de soportes que comprenden dos tiras, acoplada cada tira a un medio de accionamiento
La Fig. 7a muestra una vista isométriea de una versión del brazo robótico con dos segmentos, en donde las dos placas de los segmentos están dispuestas de forma contigua.
La Fig. 7b muestra una vista isométrica de una versión del brazo robótico con dos segmentos en la que las tiras de un segmento están dispuestas más extendidas con respecto a la base que las tiras del otro segmento.
La Fig. 7c muestra una vista isométrica de una versión del brazo robótico con dos segmentos que comprende unas tiras extendidas con respecto a la base de modo que dichas tiras se flexionan.
La Fig. 8 muestra una vista de planta y una vista de la sección A de un piñón que comprende dos superficies de piñón atravesadas por un elemento cilindrico con dos extremos.
Descripción de las realizaciones
En una realización ilustrativa del sistema mecánico de actuación (100) para un brazo robótico se emplean tres conjuntos de accionamiento (301) que comprenden dos medios de accionamiento (301.1), además comprende tres conjuntos de soporte (102) que comprenden dos tiras (102.1, 102.2) (véase Fig. 7a). Los conjuntos de accionamiento (301) se disponen de forma equidistante y equiangular entre si, es decir a 120-. Los medios de accionamiento (301.1) se alojan en una carcasa (104) formado por cuatro planchas (104.1-104.4) y una tapa (104.5) que se unen entre si de forma fija. A su vez la carcasa (104) se une de forma fija a una base (110). De éste modo los conjuntos de accionamiento (301) están en conexión con la base (110).
A continuación, se explica cómo se lleva a cabo el accionamiento del brazo robótico. Cada medio de accionamiento (301.1) que controla el movimiento de una única tira (102.1, 102.2) comprende un accionador (201), estando provisto cada accionador (201) de un piñón (101). El accionador (201) puede ser un servomotor con transmisores de multivuelta. Dichos servomotores con transmisores de multivuelta permiten un mejor control de las vueltas que da cada piñón (101). El sistema mecánico de actuación (100) comprende una placa (109) conectada de forma fija en un punto de conexión (111) con un primer extremo (122, 123) longitudinal de tira de una única tira (102.1, 102.2) de cada conjunto de soporte (102) siguiendo una simetría axial respecto al centro de la placa (109). Cada tira (102.1, 102.2) se acopla a su vez con un único piñón (101) comprendido en los medios de accionamiento (301.1) para accionar el desplazamiento. Se define cada segmento (109.1) como una placa (109) conectada a las respectivas tiras (102.1, 102.2) de cada conjunto de soporte (102).
En un conjunto de accionamiento (301) Ios accionadores (201) están posicionadas de forma contigua entre sí (véase la Fig. 1). La distancia entre los accionadores (201) debe disminuirse lo máximo posible. Se puede aprovechar que la dureza Shore media de las tiras (102.1, 102.2) permite cierto nivel de compresión. Cada medio de accionamiento (301.1) comprende un piñón (101) que comprende una primera superficie (101.1) de piñón (101) y una segunda superficie (101.2) de piñón (101), a partir de dichas superficies (101.1, 101.2) se extiende un elemento cilindrico (50), dicho elemento cilindrico (50) comprende un primer extremo (51) de elemento cilindrico y un segundo extremo (52) de elemento cilindrico. Debido a la presión ejercida sobre los piñones (101), se acopla el segundo extremo (52) de elemento cilindrico a través de un orificio (104.6), en donde la tapa (104.5) comprende dos orificios (104.6) (véase la Fig.4). Esto evita que los piñones (101) se desplacen, permaneciendo perpendiculares a la base (110). Esta configuración, aunque aumenta las pérdidas por fricción, mejora considerablemente el agarre entre los piñones (101) y sus respectivas tiras (102.1, 102.2).
Las tiras (102.1, 102.2) tienen la misma longitud (para otras realizaciones las longitudes pueden variar) y están conectadas a una misma base (110), la longitud total del brazo no puede superar la de éstas, y la longitud de un segmento (109.1) más próximo a la base estará limitada por la longitud de otro segmento (109.1) que esta más alejado a la base.
Además, esto implica que los segmentos (109.1) más próximos a la base (110), por los que pasan un mayor número de tiras (102.1, 102.2), tendrán una mayor rigidez que los segmentos (109.1) más alejados de la base (110) por los que pasan un menor número de tiras (102.1, 102.2). Por lo tanto, se puede incrementar la rigidez de un segmento haciendo que las tiras (102.1, 102.2) del segmento (109.1) anterior al segmento (109.1) cuya rigidez se pretende aumentar se extiendan con respecto a la base (110).
En otra realización de la presente invención se propone un sistema mecánico de actuación (100) con dos conjuntos de accionamiento (301) fijadas sobre una base (110). Cada conjunto de accionamiento (301) comprende unos medios de accionamiento (301.1) contiguos en donde se acopla un conjunto de dos tiras (102.1, 102.2) (véase Fig. 5). Un primer extremo (122, 123) longitudinal de tira de una de las dos tiras (102.1, 102.2) de cada conjunto de tiras (102.1, 102.2) se fija a una placa (109) en un punto de conexión (111). Los medios de accionamiento (301.1) en esta realización son los mismos que en la primera realización.
En otra realización el sistema mecánico de actuación (100) comprende al menos dos tiras (102.1, 102.2) que están configuradas para enrollarse de forma independiente sobre si mismas optimizando el espacio requerido para almacenarlas.
En otra realización posible el sistema mecánico de actuación (100) comprende al menos tiras (102.1, 102.2) que son cremalleras. Además, las tiras de cada conjunto de soporte (102) están unidas entre sí mediante una unión (102.4) unidireccional en dirección longitudinal, en donde la unión (102.4) unidireccional en dirección longitudinal es una unión de raíles.
En otra realización posible el sistema mecánico de actuación comprende al menos dos conjuntos de accionamiento (301) que están fijados a una base (110).
En otra realización posible el sistema mecánico de actuación (100) comprende al menos dos conjuntos de accionamiento (301) que están dispuestos de forma equidistante y de forma equiangular entre sí.
En otra realización posible el sistema mecánico de actuación (100) comprende al menos dos conjuntos de accionamiento (301), en donde cada conjunto de accionamiento (301) comprende una carcasa (104) formada por cuatro planchas (104.1-104.4) y una tapa (104.5) unidas entre sí de forma fija, dentro de dicha carcasa (104) se acoplan los al menos dos medios de accionamiento (301.1).
En otra realización posible del sistema mecánico de actuación (100) cada medio de accionamiento (301.1) comprende un piñón (101) que comprende una primera superficie (101.1) de piñón (101) y una segunda superficie (101.2) de piñón (101). Se extiende un elemento cilindrico (50) desde la primera y la segunda superficie (101.1, 101.2) de piñón (101). Dicho elemento cilindrico (50) comprende un primer extremo (51) de elemento cilindrico (50) y un segundo extremo (52) de elemento cilindrico (50), en donde el primer extremo (51) del elemento cilindrico (50) está configurado para acoplarse con un accionador (201).
En otra realización posible del sistema mecánico de actuación (100) la tapa (104.5) comprende dos orificios (104.6), en donde a través de cada orificio (104.6) se acopla un segundo extremo (52) de elemento cilindrico (50) de un piñón (101).
En otra realización posible del sistema mecánico de actuación (100) cada segmento (109.1) del brazo robótico está configurado para ser controlado por un número variable de tiras (102.1, 102.2) en función de los grados de libertad deseados en el segmento (109.1).
Finalmente, cualquier realización puede comprender un microcontrolador al cual están conectados los accionadores (201). Mediante estos microcontroladores se puede realizar el
control del sistema, indicando la posición deseada de cada uno de Ios puntos de conexión (111) de las placas (109) en función del desplazamiento de las tiras (102.1, 102.2). El control del mismo se puede realizar bien por medio de un modelo matemático aproximado del mecanismo flexible o incluso mediante aprendizaje previa una fase exhaustiva de ensayos controlados.
Claims (9)
1. Sistema mecánico de actuación (100) para un brazo robótico que comprende:
- al menos dos conjuntos de accionamiento (301) que comprenden al menos dos medios de accionamiento (301.1);
- al menos dos conjuntos de soporte (102) que comprenden al menos dos tiras (102.1, 102.2) de dureza Shore media, conectándose mecánicamente cada tira (102.1, 102.2) con un único medio de accionamiento (301.1) respectivo;
- las al menos dos tiras (102.1, 102.2) de cada conjunto de soporte (102) están unidas entre sí mediante una unión (102.4) unidireccional en dirección longitudinal;
- dichas al menos dos tiras (102.1, 102.2) comprenden cada una un primer extremo (122, 123) longitudinal de tira y un segundo extremo (124, 125) longitudinal de tira;
- al menos dos placas (109), en donde cada placa (109) está conectada de forma fija con el primer extremo (122, 123) longitudinal de tira de una de las al menos dos tiras (102.1, 102.2) de cada conjunto de soporte (102) en un punto de conexión (111), formando cada placa (109) conectada con sus respectivas tiras (102.1, 102.2) un segmento (109.1) del brazo robótico.
2. Sistema mecánico de actuación (100) para un brazo robótico según la reivindicación 1, en donde las tiras (102.1, 102.2) son cremalleras.
3. Sistema mecánico de actuación (100) para un brazo robótico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los al menos dos conjuntos de accionamiento (301) están en conexión con una base (110).
4. Sistema mecánico de actuación (100) para un brazo robótico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los al menos dos conjuntos de accionamiento (301) están dispuestos de forma equidistante y de forma equiangular entre sí.
5. Sistema mecánico de actuación (100) para un brazo robótico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde cada conjunto de accionamiento (301) comprende una carcasa (104) formada por cuatro planchas (104.1-104.4) y una tapa (104.5) unidas entre sí de forma fija, dentro de dicha carcasa (104) se acoplan los al menos dos medios de accionamiento (301.1).
6. Sistema mecánico de actuación (100) para un brazo robótico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde cada medio de accionamiento (301.1) comprende un
piñón (101) que comprende una primera superficie (101.1) de piñón (101) y una segunda superficie (101.2) de piñón (101), a partir de dichas superficies (101.1, 101.2) se extiende un elemento cilíndrico (50), dicho elemento cilíndrico (50) comprende un primer extremo (51) de elemento cilíndrico (50) y un segundo extremo (52) de elemento cilíndrico (50), en donde el primer extremo (51) de elemento cilíndrico (50) está configurado para acoplarse a un accionador (201).
7. Sistema mecánico de actuación (100) para un brazo robótico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde la tapa (104.5) comprende dos orificios (104.6), a través de cada orificio (104.6) se acopla un segundo extremo (52) de elemento cilíndrico (50).
8. Sistema mecánico de actuación (100) para un brazo robótico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde cada segmento (109.1) del brazo robótico está configurado para ser controlado por un número variable de tiras (102.1, 102.2) en función de los grados de libertad deseados en el segmento (109.1).
9. Sistema mecánico de actuación (100) para un brazo robótico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las tiras (102.1, 102.2) están configuradas para enrollarse de forma independiente sobre si mismas.
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