ES2937274T3 - Rutas de comunicación para brazos de robot - Google Patents

Abstract

Un brazo robótico que tiene una articulación compuesta entre una primera extremidad del brazo y una segunda extremidad del brazo, siendo la segunda extremidad del brazo distal de la primera extremidad, comprendiendo el brazo: un elemento acoplador acoplado a la primera extremidad del brazo por una primera articulación giratoria que tiene un primer eje de rotación ya la segunda extremidad del brazo por una segunda articulación giratoria que tiene un segundo eje de rotación; sensores de posición rotacional primero y segundo para detectar la configuración del brazo alrededor de las articulaciones primera y segunda respectivamente; sensores de par de torsión primero y segundo para detectar el par de torsión aplicado alrededor de las juntas primera y segunda respectivamente; una unidad de control para controlar el funcionamiento del brazo; una primera unidad de comunicaciones soportada por el brazo y situada proximalmente al acoplador y una segunda unidad de comunicaciones soportada por el brazo y situada distalmente al acoplador, siendo cada unidad de comunicación capaz de codificar los datos recibidos de uno o más de los sensores de posición y/o par en un primer formato de datos en paquetes de datos y transmitir esos paquetes a la unidad de control de acuerdo con un protocolo de datos basado en paquetes diferente del primero formato de datos; en el que el primer sensor de posición está conectado mediante un enlace de datos físicos que corre dentro de una pared exterior de la primera rama a la primera unidad de comunicaciones para pasar datos que representan la posición detectada sobre la primera articulación a la primera unidad de comunicaciones para la codificación y el primer par el sensor está conectado por un enlace de datos físicos que corre dentro de una pared exterior de la segunda rama a la segunda unidad de comunicaciones para pasar datos que representan el par detectado sobre la primera articulación a la segunda unidad de comunicaciones para la codificación. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Rutas de comunicación para brazos de robot

Antecedentes

Esta invención se refiere a la comunicación dentro de los brazos de un robot.

Los robots que se requieren para manipular objetos, los cuales pueden ser, por ejemplo, robots industriales o quirúrgicos, frecuentemente tienen un brazo compuesto por elementos rígidos los cuales están unidos en serie por un número de juntas flexibles. Las juntas pueden ser de cualquier tipo, pero normalmente son juntas giratorias o una combinación de juntas giratorias y prismáticas. El brazo se extiende a partir de una base, cuya ubicación puede ser fija o móvil, y termina en una herramienta o un accesorio para una herramienta. La herramienta podría ser, por ejemplo, una herramienta de agarre, corte, iluminación, irradiación o formación de imágenes. La junta final del brazo puede denominarse muñeca. La muñeca puede permitir el movimiento alrededor de un solo eje, o puede ser una articulación compleja o compuesta, la cual permite la rotación alrededor de diversos ejes. Como se divulga en nuestra solicitud de patente en trámite PCT/GB2014/053523, la muñeca puede proporcionar dos juntas de balanceo cuyos ejes son en general longitudinales al brazo, separados por dos juntas de cabeceo/guiñada, cuyos ejes son en general transversales al brazo.

En el caso de un robot quirúrgico, hay una serie de criterios importantes que influyen en el diseño de la(s) junta(es) distal(es) del brazo.

1. Es deseable que el brazo, y particularmente su porción distal donde se ubica la muñeca, sea de tamaño pequeño. Eso permite que múltiples brazos robóticos de este tipo trabajen muy cerca y, por lo tanto, abre una gama más amplia de procedimientos quirúrgicos que el brazo puede realizar.

2. Es deseable que el perfil exterior de la porción distal del brazo sea circularmente simétrico con respecto a la longitud del brazo. Esto permite girar longitudinalmente la porción distal sin tener que reposicionarla si está cerca de otro robot, de algún otro equipo o del paciente.

3. Es deseable que las juntas sean capaces de proporcionar un par de torsión elevado, de manera que puedan transportar herramientas más pesadas y proporcionar una aceleración elevada a la punta de la herramienta.

4. Es deseable que las juntas sean rígidas, con poca o ninguna holgura o elasticidad, de modo que cuando se haya colocado la punta de una herramienta quede fija en su posición. Un enfoque convencional para minimizar el contragolpe es designar uno o más elementos de engranajes como de sacrificio, pero esto requiere un alto nivel de mantenimiento y puede dar como resultado que se liberen partículas de engranajes desgastados dentro del brazo.

5. Es deseable que todas las articulaciones tengan sensores de posición y de fuerza/par de torsión, para que el mecanismo de control pueda tomar datos de esos sensores.

6. Es deseable que la porción distal del brazo de robot sea lo más ligera posible, para reducir la fuerza que deben ejercer las juntas más proximales del brazo robótico.

7. Un brazo robótico típico transporta cables que proporcionan energía a sus motores de accionamiento y quizás a una herramienta, y transportan señales de sensores tales como sensores de posición, torsión y formación de imágenes. Es deseable que el brazo incluya una ruta para el paso de dichos cables en el interior del brazo.

La cantidad de criterios importantes dificulta el diseño de un brazo que equilibre mejor todos los requisitos.

Un problema particular es cómo disponer que los sensores y motores del brazo se comuniquen con, por ejemplo, un controlador de control central el cual puede estar alejado del brazo. Si se quiere minimizar el tamaño del brazo, las vías de comunicación deben disponerse de manera que hagan un uso eficiente del espacio disponible.

El documento US 2004/164697 describe un robot que tiene un sensor de contacto conectado a un dispositivo actuador mediante una ruta de cableado. En el dispositivo actuador, la salida del sensor de contacto se procesa para eliminar el ruido y se calcula la información del sensor, transmitiéndose los resultados procesados por un bus a un sistema de control de orden superior.

El documento US 2013/0345717 describe un dispositivo médico robótico que tiene brazos acoplados a un cuerpo de dispositivo. El dispositivo tiene un perfil mínimo de tal modo que el dispositivo se puede insertar a través de incisiones más pequeñas en comparación con otros dispositivos.

El documento WO 2010/051248 describe un manipulador robótico que tiene una junta robótica, un sensor de posición rotacional y un sistema de control. El sensor de posición rotacional está acoplado a la carcasa principal de la junta robótica. El sistema de control está acoplado al sensor de posición rotacional.

El documento EP 2868446 describe un robot que incluye un brazo robótico, una unidad de accionamiento que acciona el brazo, una unidad de control que controla el accionamiento de la unidad de accionamiento y una pluralidad de unidades de detección que incluyen un sensor de velocidad angular que funciona como un sensor de inercia. El robot también incluye una unidad de cableado que conecta en serie la pluralidad de unidades de detección y la unidad de control.

Existe la necesidad de una disposición de comunicación mejorada para un brazo robótico.

Resumen

De acuerdo con la presente invención, se proporciona un brazo robótico que tiene una junta compuesta entre un primer miembro del brazo y un segundo miembro del brazo, estando el segundo miembro del brazo distal del primer miembro, comprendiendo el brazo: un elemento acoplador acoplado al primer miembro del brazo por una primera junta giratoria que tiene un primer eje de rotación y al segundo miembro del brazo por una segunda junta giratoria que tiene un segundo eje de rotación; sensores de posición rotacional primero y segundo para detectar la configuración del brazo alrededor de las juntas primera y segunda respectivamente; sensores de par de torsión primero y segundo para detectar el par de torsión aplicado alrededor de las juntas primera y segunda respectivamente; una unidad de control para controlar el funcionamiento del brazo; una primera unidad de comunicaciones soportada por el primer brazo y ubicada proximalmente al acoplador y una segunda unidad de comunicaciones soportada por el segundo brazo y ubicada distalmente al acoplador, siendo cada unidad de comunicaciones capaz de codificar datos recibidos a partir de una o más de las posiciones y/o o sensores de par de torsión en un primer formato de datos en paquetes de datos y transmitir esos paquetes a la unidad de control de acuerdo con un protocolo de datos con base en paquetes diferente del primer formato de datos; en donde el primer sensor de posición está conectado a la primera unidad de comunicaciones mediante un enlace de datos físicos que está ubicado proximalmente a las juntas giratorias primera y segunda y corre dentro de una pared exterior de la primera extremidad para pasar datos que representan la posición detectada sobre la primera junta a la primera unidad de comunicaciones para la codificación y el primer sensor de par de torsión está conectado a la segunda unidad de comunicaciones mediante un enlace de datos físicos que está ubicado distalmente de la primera junta giratoria y corre dentro de una pared exterior del segundo miembro para pasar datos que representa par de torsión detectado sobre la primera junta a la segunda unidad de comunicaciones para la codificación.

El segundo sensor de posición puede estar conectado mediante un enlace de datos físicos que corre dentro de una pared exterior del segundo miembro a la primera unidad de comunicaciones para pasar datos que representan la posición detectada sobre la segunda junta a la segunda unidad de comunicaciones para su codificación.

El segundo sensor de par puede estar conectado mediante un enlace de datos físicos que corre dentro de una pared exterior del segundo miembro a la segunda unidad de comunicaciones para pasar datos que representan el par detectado sobre la segunda junta a la segunda unidad de comunicaciones para su codificación.

El segundo sensor de par de torsión puede estar conectado mediante un enlace de datos físicos que corre dentro de una pared exterior del primer miembro a la primera unidad de comunicación para pasar datos que representan el par de torsión detectado sobre la segunda junta a la primera unidad de comunicaciones para la codificación.

El segundo sensor de posición puede estar conectado mediante un enlace de datos físicos que corre dentro de una pared exterior del primer miembro a la primera unidad de comunicaciones para pasar datos que representan datos de posición detectados sobre la segunda junta a la primera unidad de comunicaciones para su codificación.

El o cada enlace de datos físicos puede ser un cable eléctrico.

Cada unidad de comunicaciones puede ser capaz de almacenar datos recibidos de sensores de posición y/o par de torsión y posteriormente transmitir esos datos a la unidad de control.

La segunda unidad de comunicaciones puede estar conectada a la unidad de control a través de la primera unidad de comunicaciones.

El primer miembro puede comprender motores para accionar el movimiento alrededor de las juntas primera y segunda. Los motores pueden estar conectados mediante enlaces de datos físicos a la primera unidad de comunicaciones para recibir señales de mando a partir de la misma.

Los ejes primero y segundo pueden ser transversales entre sí. Los ejes primero y segundo pueden intersecarse entre sí.

Las juntas primera y segunda pueden ser parte de una muñeca del robot.

De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención, se proporciona un brazo robótico que comprende un primer miembro, y un segundo miembro distal del primer miembro y acoplado al primer miembro mediante una sola junta giratoria para articular el primer y el segundo miembros con respecto a entre sí alrededor de un eje de rotación, comprendiendo el brazo: un sensor de par de torsión para detectar el par de torsión alrededor de la junta; una unidad de control para controlar el funcionamiento del brazo robótico; una primera unidad de comunicaciones soportada por la segunda extremidad y ubicada distalmente de la junta giratoria, siendo capaz la unidad de comunicaciones de codificar los datos recibidos del sensor de par de torsión en un primer formato de datos en paquetes de datos y transmitir esos paquetes de datos a la unidad de control de acuerdo con un protocolo de datos con base en paquetes diferente del primer formato de datos; un sensor de posición rotacional para detectar la configuración del brazo alrededor del eje de rotación; y una segunda unidad de comunicaciones soportada por el primer miembro y ubicada proximalmente a la junta giratoria, siendo capaz la segunda unidad de comunicaciones de codificar los datos recibidos del sensor de posición en un primer formato de datos en paquetes de datos y transmitir esos paquetes de datos a la unidad de control de acuerdo con un protocolo de datos con base en paquetes diferente del primer formato de datos; en donde el sensor de par de torsión está conectado a la primera unidad de comunicaciones mediante un enlace de datos físicos que está ubicado distalmente a la junta giratoria y corre a lo largo del segundo miembro para pasar datos que representan el par de torsión detectado sobre la junta a la primera unidad de comunicaciones para su codificación y el sensor de posición rotacional está conectado a la segunda unidad de comunicaciones mediante un enlace de datos físicos que está ubicado proximalmente a la junta giratoria y corre a lo largo del primer miembro para pasar datos que representan la configuración del brazo alrededor del eje de rotación a la segunda unidad de comunicaciones para la codificación.

Breve descripción de los dibujos

La presente invención se describirá ahora a modo de ejemplo con referencia a los dibujos adjuntos.

En los dibujos:

La Figura 1 es una representación general de un brazo robótico quirúrgico.

La Figura 2 muestra con más detalle los ejes de rotación en la muñeca del brazo de la Figura 1.

La Figura 3 muestra parte de un primer mecanismo de muñeca de forma distal y de un lado.

La Figura 4 muestra parte del primer mecanismo de muñeca de forma distal y del otro lado.

La Figura 5 muestra parte de un segundo mecanismo de muñeca a partir de la parte proximal y de un lado.

La Figura 6 muestra parte del segundo mecanismo de muñeca de forma distal y de un lado.

La Figura 7 muestra un tercer mecanismo de muñeca de forma distal y de un lado.

La Figura 8 muestra el tercer mecanismo de muñeca de forma distal y del otro lado.

La Figura 9 muestra el tercer mecanismo de muñeca en sección sobre un plano longitudinal central visto a partir de un lado.

La Figura 10 muestra el tercer mecanismo de muñeca en sección sobre un plano longitudinal central visto a partir del otro lado.

La Figura 11 ilustra las rutas de comunicación en un brazo robótico.

La Figura 12 ilustra una disposición alternativa de vías de comunicación en un brazo robótico que no pertenece a la invención.

La Figura 13 ilustra las rutas de comunicación en los miembros de un brazo robótico separadas por una junta giratoria. La Figura 14 muestra un módulo terminal para un brazo robótico en sección transversal longitudinal.

Descripción detallada

Se ha descubierto que los mecanismos de muñeca que se describirán a continuación proporcionan disposiciones compactas y mecánicamente ventajosas para al menos algunas de las juntas de la muñeca de un robot, o para otras aplicaciones.

La Figura 1 muestra un robot quirúrgico que tiene un brazo 1 el cual se extiende a partir de una base 2. El brazo comprende una serie de miembros 3 rígidos. Los miembros están acoplados por juntas 4 giratorias. El miembro 3a más proximal está acoplado a la base por la junta 4a. Esta y los otros miembros están acoplados en serie por otras de las juntas 4. Una muñeca 5 se compone de cuatro juntas giratorias individuales. La muñeca 5 acopla un miembro (3b) al miembro (3c) más distal del brazo. El miembro 3c más distal lleva un accesorio 8 para un instrumento o herramienta 9 quirúrgica. Cada junta 4 del brazo tiene uno o más motores 6 los cuales pueden operarse para provocar un movimiento de rotación en la respectiva junta, y uno o más sensores 7 de posición y/o par de torsión los cuales brindan información sobre la configuración actual y/o la carga en esa junta. Para mayor claridad, solo algunos de los motores y sensores se muestran en la Figura 1. El brazo puede ser en general como se describe en nuestra solicitud de patente en trámite PCT/GB2014/053523. El punto 8 de fijación para una herramienta puede comprender adecuadamente uno o más de: (i) una formación que permite unir mecánicamente una herramienta al brazo, (ii) una interfaz para comunicar energía y/o datos eléctricos y/u ópticos hacia y/o a partir de la herramienta, y (iii) un accionamiento mecánico para accionar movimiento de una parte de una herramienta. En general, se prefiere que los motores estén dispuestos proximalmente a las juntas cuyo movimiento accionan, para mejorar la distribución del peso. Como se explica a continuación, los controladores de los motores, los sensores de par de torsión y los codificadores se distribuyen con el brazo. Los controladores están conectados a través de un bus de comunicación a la unidad 10 de control.

Una unidad 10 de control comprende un procesador 11 y una memoria 12. La memoria 12 almacena de forma no transitoria un software ejecutable por el procesador para controlar el funcionamiento de los motores 6 para hacer que el brazo 1 funcione de la manera descrita en el presente documento. En particular, el software puede controlar el procesador 11 para hacer que los motores (por ejemplo, a través de controladores distribuidos) se accionen dependiendo de las entradas de los sensores 7 y de una interfaz 13 de comando del cirujano. La unidad 10 de control está acoplada a los motores 6 para accionarlos de acuerdo con las salidas generadas por la ejecución del software. La unidad 10 de control está acoplada a los sensores 7 para recibir la entrada detectada de los sensores, y a la interfaz 13 de comando para recibir la entrada de la misma. Los respectivos acoplamientos pueden ser, por ejemplo, cables eléctricos u ópticos, o pueden ser proporcionados por una conexión inalámbrica. La interfaz 13 de comando comprende uno o más dispositivos de entrada mediante los cuales un usuario puede solicitar el movimiento del brazo de la forma deseada. Los dispositivos de entrada podrían ser, por ejemplo, dispositivos de entrada mecánicos accionables manualmente, tales como palancas de control o palancas de mando, o dispositivos de entrada sin contacto, tales como sensores ópticos de gestos. El software almacenado en la memoria 12 está configurado para responder a esas entradas y hacer que las juntas del brazo se muevan en consecuencia, de conformidad con una estrategia de control predeterminada. La estrategia de control puede incluir funciones de seguridad las cuales moderan el movimiento del brazo en respuesta a las entradas de comandos. Así, en resumen, un cirujano en la interfaz 13 de comando puede controlar el brazo 1 robótico para que se mueva de tal manera que realice un procedimiento quirúrgico deseado. La unidad 10 de control y/o la interfaz 13 de comando pueden estar alejadas del brazo 1.

La Figura 2 muestra la muñeca 5 del robot con más detalle. La muñeca comprende cuatro juntas 300, 301, 302, 303 giratorias. Las juntas están dispuestas en serie, con una parte rígida del brazo que se extiende de cada junta a la siguiente. La junta más proximal 300 de la muñeca une la parte 4b del brazo con la parte 310 del brazo. La junta 300 tiene un eje 304 de rotación de “balanceo”, el cual se dirige en general a lo largo de la extensión del miembro 4b del brazo que está inmediatamente próximo a las articulaciones de la muñeca. La siguiente junta 301 más distal de la muñeca une la parte 310 del brazo con la parte 311 del brazo. La junta 301 tiene un eje 305 de rotación de “cabeceo” el cual es perpendicular al eje 304 en todas las configuraciones de las juntas 300 y 301. La siguiente junta 302 más distal de la muñeca une la parte 310 del brazo con la parte 311 del brazo. La junta 302 tiene un eje de rotación de “guiñada” 306 el cual es perpendicular al eje 305 en todas las configuraciones de las juntas 301 y 302. En algunas configuraciones de la muñeca, el eje 306 también es perpendicular al eje 304. La siguiente junta más distal de la muñeca 303 une la parte 311 del brazo con la parte 4c del brazo. La junta 303 tiene un eje de rotación de “balanceo” 307 el cual es perpendicular al eje 306 en todas las configuraciones de las juntas 302 y 303. En algunas configuraciones de la muñeca, el eje 307 también es perpendicular al eje 305 y paralelo con (y preferiblemente colineal) el eje 304. Es preferible que los ejes 305 y 306 se crucen entre sí, ya que esto da una configuración particularmente compacta. Las juntas 300 y 303 pueden colocarse de modo que los ejes 304 y 307 puedan pasar a través de la intersección de los ejes 305, 306 para algunas configuraciones de la muñeca.

Este diseño de muñeca es ventajoso porque permite un amplio rango de movimiento a partir de una herramienta unida al punto 8 de junta en el extremo distal de la parte 4c del brazo, pero la muñeca puede ensamblarse en una forma relativamente compacta y sin singularidades en ciertas partes del rango de movimiento que podrían exigir velocidades de movimiento excesivamente altas en las juntas individuales.

Las Figuras 3 y 4 muestran un ejemplo de un mecanismo adecuado para implementar parte de la muñeca 5 del brazo 1 de la Figura 1. Las Figuras 3 y 4 se concentran (en cuanto a las Figuras 5 a 10) en el mecanismo asociado con las juntas 301 y 302 designadas en la Figura 2.

En la región de la muñeca 5, las partes 310, 311 de brazo rígidas tienen carcasas o cubiertas 310', 310”, 311' exteriores huecas. Las carcasas definen la mayor parte de la superficie exterior del brazo e incluyen un vacío el cual está parcial o totalmente rodeado por la pared exterior de la carcasa respectiva y dentro del cual se pueden alojar los motores, sensores, cables y otros componentes del brazo. Las carcasas podrían estar formadas por un metal, por ejemplo, una aleación de aluminio o acero, o por un material compuesto, por ejemplo, un material compuesto de resina reforzado con fibras, tal como fibra de carbono reforzada con resina. Las carcasas constituyen parte de la estructura rígida de las partes del brazo que se une entre las respectivas juntas. Las carcasas pueden contener un armazón estructural como se muestra más adelante en relación con la realización de la Figura 7.

En las Figuras 3 y 4, para mayor claridad, el armazón de la parte 310 del brazo se muestra en dos partes: 310' y 310”, ambos dibujados en contorno y en despiece entre sí. Se omiten las carcasas de las partes 4b y 4c del brazo, así como el mecanismo asociado a las juntas 300 y 303. La carcasa de la parte 311 del brazo se muestra en parte, extendiéndose la mayor parte a partir del espolón 311'.

La carcasa de la parte 310 del brazo (constituida por las partes 310' y 310” de la carcasa) y la carcasa de la parte 311 del brazo (la cual se extiende a partir del espolón 311') se pueden mover entre sí alrededor de dos ejes de rotación, que se muestran en 20 y 21. Estos corresponden a los ejes 305, 306 de la Figura 2. Los ejes 20 y 21 son ortogonales. Los ejes 20 y 21 se cruzan. Un acoplador 28 central está montado en la parte 310 del brazo mediante cojinetes 29, 30. El acoplador se extiende entre los cojinetes 29, 30. Los cojinetes 29, 30 sujetan firmemente el acoplador con la parte 310 del brazo excepto que permiten la rotación relativa del acoplador y la parte del brazo alrededor del eje 20, definiendo así una junta giratoria correspondiente a la junta 301 de la Figura 2. Otro cojinete 31 une el espolón 311' del conector de la carcasa distal al acoplador 28. El cojinete 31 sujeta firmemente el espolón 311' del conector de la carcasa distal con el acoplador 28 excepto para permitir el movimiento relativo del espolón y el acoplador alrededor del eje 21, definiendo así una junta giratoria correspondiente a la junta 302 de la Figura 2.

Dos motores eléctricos 24, 25 (véase la Figura 4) están montados en la parte 310 del brazo. Los motores accionan los respectivos árboles 26, 27 de transmisión los cuales se extienden hasta la mitad del mecanismo de muñeca. El árbol 26 acciona la rotación sobre el eje 20. El árbol 27 acciona la rotación sobre el eje 21. El árbol 26 de transmisión termina en su extremo distal en un engranaje 32 helicoidal. El engranaje 32 helicoidal engrana con un engranaje 33 cónico el cual está sujeto con el acoplador 28. El árbol 27 de transmisión termina en su extremo distal en un engranaje 34 helicoidal. El engranaje 34 helicoidal engrana con un tren de engranajes que se muestra en general en 35 el cual termina en otro engranaje 36 helicoidal. El piñón en forma de tornillo 36 helicoidal engrana con un engranaje 37 cónico de dientes hipoidales el cual está sujeto con el conector 311' de carcasa distal.

El engranaje 33 está formado como un engranaje de sector: es decir, su arco operativo (definido en el ejemplo de las Figuras 3 y 4 por el arco de sus dientes) es inferior a 360°.

El tren 35 de engranajes está soportado por el acoplador 28. El tren de engranajes comprende un engranaje 38 de entrada el cual engrana con el tornillo 34 helicoidal. El engranaje 38 de entrada está ubicado con su eje de rotación en relación con el acoplador 28 coincidiendo con el eje 20. Eso significa que el engranaje de entrada puede continuar acoplando el tornillo 34 helicoidal independientemente de la configuración del acoplador 28 con respecto a la parte 310 del brazo alrededor del eje 20. Una serie de engranajes adicionales cuyos ejes son paralelos al eje 20 transfieren la transmisión a partir del engranaje 38 de entrada a un engranaje 39 de salida en un árbol 40 cuyo eje de rotación con respecto al portador 28 es paralelo pero desplazado del eje 20. El árbol 40 termina en el tornillo 36 helicoidal. El árbol 40 se extiende paralelo al eje 20. Los engranajes del tren 35 de engranajes, junto con el árbol 40, son soportados por el acoplador 28.

A continuación se describirá el funcionamiento del mecanismo de muñeca. Para el movimiento alrededor del eje 20, el motor 24 funciona para accionar el árbol 26 para que gire con respecto a la parte 310 del brazo. Esto acciona el engranaje 33 cónico y, por lo tanto, el acoplador 28 y el espolón 311' de carcasa distal para girar alrededor del eje 20 en relación con la parte 310 del brazo. Para el movimiento alrededor del eje 21, el motor 25 funciona para accionar el eje 27 para que gire con respecto a la parte 310 del brazo. Esto acciona el engranaje 37 cónico y, por lo tanto, el conector 311' de carcasa distal para girar alrededor del eje 21 en relación con la parte 310 del brazo. Se observará que si el árbol 26 de transmisión gira, haciendo que el acoplador 28 gire, a la vez que el árbol 27 de transmisión permanece estacionario, entonces el engranaje 38 también girará en relación con el acoplador 28, provocando un movimiento parásito del espolón 311' del conector de la carcasa distal alrededor del eje 21. Para impedir esto, el sistema 10 de control del brazo está configurado para que, cuando sea necesario, haya un movimiento compensatorio del árbol 27 de transmisión junto con el movimiento del árbol 26 de transmisión para aislar el movimiento alrededor del eje 21 del movimiento alrededor del eje 20. Por ejemplo, si se requiere causar un movimiento relativo de las carcasas 310, 311 alrededor del eje 20 solamente, entonces el motor 24 se opera para causar ese movimiento a la vez que el motor 25 se opera simultáneamente de tal manera que impide que el engranaje 38 de entrada gire en relación con el portador 28.

Diversos aspectos del mecanismo que se muestra en las Figuras 3 y 4 son ventajosos para ayudar a que el mecanismo sea particularmente compacto.

1. Es conveniente que el engranaje 33 cónico sea de forma parcialmente circular: es decir, sus dientes no abarcan un círculo completo. Por ejemplo, el engranaje 33 puede abarcar menos de 270° o menos de 180° o menos de 90°. Esto permite que al menos parte del otro engranaje 37 cónico se ubique de tal manera que corte un círculo coincidente con el engranaje 33, alrededor del eje del engranaje 33 y que tenga el mismo radio que la parte más externa del engranaje 33. Si bien esta característica puede ayudar a reducir el tamaño de una diversidad de juntas compuestas, es de particular importancia en una muñeca del tipo que se muestra en la Figura 2, que comprende un par de juntas de balanceo con un par de juntas de cabeceo/guiñada entre ellas, ya que en una junta de ese tipo hay un grado de redundancia entre las juntas de cabeceo/guiñada y por lo tanto se puede alcanzar una amplia gama de posiciones del extremo distal del brazo incluso si se restringe el movimiento alrededor del eje 20.

2. Es conveniente si el engranaje 33 parcial permite la rotación alrededor del eje 20 mediante el cual el portador 28 gira hacia la siguiente parte 310 del brazo más proximal, en lugar de la rotación alrededor del eje 21, ya que el engranaje parcial también se puede cortar para acomodar el árbol 40 que se cruza con dicho círculo. Eso ahorra espacio al permitir que el tornillo 36 helicoidal se ubique en el lado opuesto del engranaje 33 cónico al tren 35 de engranajes. Sin embargo, en otros diseños, el engranaje parcial podría girar alrededor del eje 21, por lo que el engranaje 37 podría tener una forma parcialmente circular.

3. Es conveniente que los tornillos 32, 34 helicoidales estén situados en el lado opuesto del eje 20 al engranaje 37 cónico: es decir, que haya un plano que contenga el eje 20 en un lado del cual están los tornillos 32, 34 helicoidales y en el otro lado del cual es el engranaje 37 cónico. Esto ayuda a proporcionar una disposición de empaquetado compacta.

4. Es conveniente que el tornillo 34 helicoidal esté ubicado en el lado opuesto del engranaje 33 cónico al tornillo 36 helicoidal y/o que el tren 35 de engranajes esté ubicado exclusivamente en el lado opuesto del engranaje 33 cónico al tornillo 36 helicoidal. De nuevo, esto ayuda a proporcionar una disposición de empaquetado compacta.

5. Los engranajes 33 y/o 37 se proporcionan convenientemente como engranajes cónicos ya que eso les permite ser accionados por tornillos helicoidales ubicados dentro del plano de sus respectivos radios externos. Sin embargo, podrían ser engranajes dentados externamente engranados en sus superficies exteriores por los tornillos 32, 34 helicoidales o por engranajes dentados radialmente.

6. El engranaje 33 cónico está convenientemente ubicado para interponerse entre los tornillos 32 y 34 helicoidales. Esto ayuda al empaquetado de los motores 24, 25.

7. Los engranajes cónicos y los engranajes helicoidales que se acoplan con ellos pueden ser convenientemente de eje hipoidal o sesgado, por ejemplo de la forma Spiroid®. Estos engranajes permiten una capacidad de torsión relativamente alta en una forma relativamente compacta.

Las Figuras 5 y 6 muestran una segunda forma de mecanismo de muñeca adecuado para proporcionar juntas 301, 302 en una muñeca del tipo que se muestra en la Figura 2.

Como se muestra en la Figura 5, la muñeca comprende un par de carcasas 310', 311' externas rígidas las cuales definen las superficies exteriores de las partes 310, 311 del brazo respectivamente de la Figura 2. 310' es la más proximal de las carcasas. Las partes de los brazos formadas por las carcasas 310', 311' pueden pivotar entre sí alrededor de los ejes 62, 63, los cuales corresponden respectivamente a los ejes 305, 306 de la Figura 2. Los ejes 62, 63 son ortogonales. Los ejes 62, 63 se cruzan. Las carcasas 310', 311' definen el exterior del brazo en la región de la muñeca y son huecas, para acomodar un mecanismo de rotación y espacio para pasar cables, etc., como se describirá con más detalle a continuación. Las carcasas podrían estar formadas por un metal, por ejemplo, una aleación de aluminio o acero, o por un material compuesto, por ejemplo, un material compuesto de resina reforzado con fibras, tal como fibra de carbono reforzada con resina. Las carcasas constituyen la principal estructura rígida de las partes del brazo que se une entre las respectivas juntas.

La Figura 6 muestra el mismo mecanismo a partir de la porción distal y de un lado, con la carcasa 311' retirada para mayor claridad.

La carcasa 310' está acoplada a la carcasa 311' mediante un acoplador 64 cruciforme. El acoplador tiene un tubo 65 central el cual define un conducto por su centro, que discurre en general a lo largo del brazo. Extendiéndose a partir del tubo están los primeros brazos 66, 67 y los segundos brazos 68, 69. Cada una de las carcasas 310', 311' está unida al acoplador 64 mediante una junta giratoria: es decir, de tal manera que está confinada para poder moverse con respecto al acoplador solo por rotación alrededor de un único eje. Los primeros brazos 66, 67 se unen al armazón 310' mediante cojinetes 70, 71 los cuales permiten la rotación entre esos primeros brazos y la carcasa 310' alrededor del eje 62. Los segundos brazos 68, 69 se unen a la carcasa 311' mediante cojinetes 72, 73 los cuales permiten la rotación entre esos segundos brazos y la carcasa 311' alrededor del eje 63. Un primer engranaje 74 cónico es concéntrico con los primeros brazos 66, 67. El primer engranaje cónico está sujeto con el acoplador 64 y libre de rotación con respecto a la proximal de las dos carcasas 310'. Un segundo engranaje 75 cónico es concéntrico con los segundos brazos 68, 69. El segundo engranaje cónico es solidario con el distal de las dos carcasas 311' y libre de rotación con respecto al acoplador 64.

Dos árboles 76, 77 accionan el movimiento de la junta compuesta. Los árboles se extienden hacia la región central de la junta a partir de dentro de la proximal de las carcasas 310'. Cada árbol está unido en su extremo proximal al árbol de un motor eléctrico respectivo (no se muestra), estando fijados las cubiertas de los motores al interior de la carcasa 310' proximal. De esta forma, los ejes 76, 77 pueden ser accionados por los motores para que giren con respecto a la carcasa 310' proximal.

El árbol 76 y su motor asociado operan el movimiento alrededor del eje 62. El árbol 76 termina en su extremo distal en un engranaje 78 helicoidal el cual engrana con el engranaje 74 cónico. La rotación del árbol 76 provoca la rotación del engranaje 74 cónico con respecto a la carcasa 310' alrededor del eje 62. El engranaje 74 cónico está sujeto con el acoplador 64, el cual a su vez lleva la carcasa 311' distal. Así, la rotación del árbol 76 provoca la rotación relativa de las carcasas 310', 311' alrededor del eje 62.

El árbol 77 y su motor asociado operan el movimiento alrededor del eje 63. Para hacer eso, finalmente tiene que accionar el engranaje 75 cónico a través de un tornillo 79 helicoidal llevado por el acoplador 64. La rotación de ese engranaje helicoidal puede provocar la rotación relativa del acoplador y la carcasa 311' distal. Para lograr esto, la transmisión se transmite a partir del árbol 77 a través de un par de engranajes 80, 81 llevados por el portador 64 a un árbol que lleva el tornillo 79 helicoidal. El árbol 77 se aproxima al portador 64 a partir del lado proximal. Los engranajes 80, 81 están ubicados en el lado distal del acoplador. El árbol 77 pasa a través del conducto definido por el tubo 65 en el centro del acoplador. Para acomodar el movimiento del acoplador 64 con respecto a la primera carcasa 310', el árbol 77 tiene una junta 82 universal o de Hooke a lo largo de su longitud. La junta 82 universal se encuentra en el eje 62. En lugar de una junta de Hooke, el árbol podría tener otra forma de acoplamiento flexible, por ejemplo, un acoplamiento elástico (el cual podría ser integral con el árbol) o una forma de junta de velocidad constante.

Se ha descubierto que este mecanismo es capaz de proporcionar una disposición de accionamiento particularmente compacta, ligera y rígida para girar alrededor de los ejes 62 y 63 sin que los componentes del mecanismo restrinjan indebidamente el movimiento de las carcasas. Permite alojar ambos motores en la carcasa proximal, lo cual reduce el peso distal.

Diversos aspectos del mecanismo que se muestra en las Figuras 5 y 6 son ventajosos para ayudar a que el mecanismo sea particularmente compacto.

1. Es conveniente que el engranaje 74 cónico tenga forma parcialmente circular: es decir, sus dientes no abarcan un círculo completo. Por ejemplo, el engranaje 74 puede abarcar menos de 270° o menos de 180° o menos de 90°. Esto permite que al menos parte del otro engranaje 75 cónico se ubique de tal manera que interseque un círculo coincidente con el engranaje 74, alrededor del eje del engranaje 74 y que tenga el mismo radio que la parte más exterior del engranaje 74. Si bien esta característica puede ayudar a reducir el tamaño de una diversidad de juntas compuestas, es de particular importancia en una muñeca del tipo que se muestra en la Figura 2, que comprende un par de juntas de balanceo con un par de juntas de cabeceo/guiñada entre ellas, ya que en una junta de ese tipo hay un grado de redundancia entre las juntas de cabeceo/guiñada y por lo tanto se puede alcanzar una amplia gama de posiciones del extremo distal del brazo incluso si se restringe el movimiento alrededor del eje 62. Como se muestra en la Figura 6, el engranaje 74 cónico tiene un radio reducido en la región no abarcada por sus dientes. Los engranajes cónicos parcialmente circulares de las otras realizaciones se pueden formar de la misma manera.

2. Los engranajes 74 y/o 75 se proporcionan convenientemente como engranajes cónicos ya que eso les permite ser accionados por tornillos helicoidales ubicados dentro del plano de sus respectivos radios externos. Sin embargo, podrían ser engranajes dentados externamente engranados en sus superficies exteriores por los tornillos 76, 79 helicoidales, o por engranajes dentados radialmente.

4. Los engranajes cónicos y los engranajes helicoidales que se acoplan con ellos pueden ser convenientemente de eje oblicuo, por ejemplo, de forma Spiroid®. Estos permiten una capacidad de par de torsión relativamente alta en una forma relativamente compacta.

Las Figuras 7 a 10 ilustran otra forma de mecanismo de muñeca. En estas Figuras se omiten los armazones de las partes 310, 311 de los brazos, dejando al descubierto la estructura dentro de las partes de los brazos. La parte 310 del brazo proximal tiene un armazón 100 estructural, el cual se muestra en contorno en algunas de las figuras. La 311 parte del brazo distal tiene un armazón 101 estructural. Las partes 310 y 311 del brazo giran entre sí alrededor de los ejes 102, 103, los cuales corresponden a los ejes 305, 306 respectivamente de la Figura 2. Un portador 104 acopla las partes 310, 311 del brazo entre sí. El portador 104 está unido por cojinetes 105, 190 a la parte 310 del brazo. Esos cojinetes definen una junta giratoria alrededor del eje 102 entre la parte 310 del brazo y el portador 104. El portador 104 está unido mediante el cojinete 106 a la parte 311 del brazo. Esos cojinetes definen una junta giratoria alrededor del eje 103 entre la parte 311 del brazo y el portador 104. Un primer engranaje 107 cónico alrededor del eje 102 está sujeto con el portador 104. Un segundo engranaje 108 cónico alrededor del eje 103 está sujeto con la parte 311 del brazo.

Al igual que con los otros mecanismos descritos en el presente documento, el portador 104 está ubicado dentro de los miembros 310, 311.

Dos motores 109, 110 están fijados al armazón 100 de la parte 310 del brazo. El motor 109 acciona un árbol 111. El árbol 111 es rígido y termina en un tornillo 118 helicoidal el cual engrana con el engranaje 107 cónico. Cuando se opera el motor 109, el árbol 111 gira con respecto a la parte 310 proximal del brazo, accionando el engranaje 107 cónico y, por lo tanto, el acoplador 104 y la parte 311 del brazo para girar con respecto a la parte 310 del brazo alrededor del eje 102. El motor 110 acciona un árbol 112. El árbol 112 tiene un tornillo 113 helicoidal cerca de su extremo distal el cual engrana con el engranaje 108 cónico. Para acomodar el movimiento del engranaje 108 cónico en relación con el motor 110 cuando el acoplador 104 se mueve alrededor del eje 102, el árbol 112 incluye un par de juntas 114, 115 universales y un acoplador 116 estriado el cual acomoda la extensión y retracción axial del árbol 112. La parte final del árbol 112 se monta en el acoplador 104 mediante el cojinete 117.

Es conveniente que el engranaje 107 cónico sea de forma parcialmente circular: es decir, sus dientes no abarcan un círculo completo. Por ejemplo, el engranaje 107 puede abarcar menos de 270° o menos de 180° o menos de 90°. Esto permite que al menos parte del otro engranaje 108 cónico se ubique de tal manera que corte un círculo coincidente con el engranaje 107, alrededor del eje del engranaje 107 y que tenga el mismo radio que la parte más externa del engranaje 107. Si bien esta característica puede ayudar a reducir el tamaño de una diversidad de juntas compuestas, es de particular importancia en una muñeca del tipo que se muestra en la Figura 2, que comprende un par de juntas de balanceo con un par de juntas de cabeceo/guiñada entre ellas, ya que en una junta de ese tipo hay un grado de redundancia entre las juntas de cabeceo/guiñada y por lo tanto se puede alcanzar una amplia gama de posiciones del extremo distal del brazo incluso si se restringe el movimiento alrededor del eje 102.

Los engranajes 107 y/o 108 se proporcionan convenientemente como engranajes cónicos ya que eso les permite ser accionados por tornillos helicoidales ubicados dentro del plano de sus respectivos radios externos. Sin embargo, podrían ser engranajes con dientes externos engranados en sus superficies exteriores por los tornillos helicoidales unidos a los árboles 111, 112, o por engranajes con dientes externos.

Los engranajes cónicos y los engranajes helicoidales que se acoplan con ellos pueden ser convenientemente de eje oblicuo, por ejemplo, de la forma Spiroid®. Estos permiten una capacidad de par de torsión relativamente alta en una forma relativamente compacta.

Se pueden realizar diversos cambios en los mecanismos descritos anteriormente. Por ejemplo, y sin limitación:

Los ejes correspondientes a los ejes 305, 306 no necesitan intersecarse y no necesitan ser ortogonales.

Los engranajes cónicos o sus equivalentes de engranajes dentados exteriores no necesitan ser accionados por tornillos helicoidales. Podrían ser accionados por otros engranajes.

Uno o ambos engranajes cónicos podrían ser engranajes parciales.

En los ejemplos dados anteriormente, los mecanismos forman parte de una muñeca para un brazo robótico. Los mecanismos podrían usarse para otras aplicaciones, por ejemplo, para otras partes de brazos robóticos, para herramientas robóticas y para aplicaciones no robóticas, como tales cabezales de control para cámaras.

Como se discutió anteriormente con referencia a la Figura 1, cada junta está provista de un sensor de par de torsión el cual detecta el par de torsión aplicado sobre el eje de esa junta. Los datos de los sensores de par de torsión se proporcionan a la unidad 10 de control para su uso en el control del funcionamiento del brazo.

Las Figuras 9 y 10 muestran uno de los sensores de par de torsión y su disposición de montaje en sección transversal. El sensor 150 de par de torsión mide el par de torsión aplicado sobre el eje 103: es decir, a partir del portador 104 hasta el marco 101 del brazo distal. Como se describió anteriormente, el engranaje 108 cónico está sujeto con el marco 101 y gira alrededor del eje 103 con respecto al portador 104. El engranaje 108 cónico comprende una porción 151 de engranaje que se extiende radialmente, a partir de la cual sus dientes 152 de engranaje se extienden en una dirección axial, y un cuello 153 que se extiende axialmente. El cuello, la porción de engranaje que se extiende radialmente y los dientes son integrales entre sí. Las paredes interior y exterior del cuello 153 son de perfil circularmente cilíndrico. Un par de pistas 106, 154 de cojinetes de bolas o de rodillos se ajustan cómodamente alrededor del exterior del cuello. Los cojinetes se asientan en copas en el portador 104 y mantienen el cuello 153 en posición con respecto al soporte a la vez que permiten la rotación del engranaje 108 cónico con respecto al soporte alrededor del eje 103.

El sensor 150 de par de torsión tiene una brida 155 superior que se extiende radialmente, un tubo 156 de torsión axialmente alargado el cual se extiende a partir de la brida superior y una base 157 roscada internamente en el extremo del tubo de torsión opuesto a la brida. La brida 155 superior hace tope con la porción 151 de engranaje del engranaje 108 cónico. La brida superior se sujeta con la porción de engranaje mediante pernos 158. El tubo 156 de torsión se extiende dentro del cuello 153 del engranaje 108 cónico. La pared exterior del tubo de torsión es de perfil circularmente cilíndrico. El exterior de la base 157 está configurado con una estructura acanalada la cual hace acoplamiento positivo con una estructura correspondiente en el marco 101 para mantener a los dos en una relación fija alrededor del eje 103. Un perno 159 se extiende a través del marco 101 y dentro de la base 157 para sujetarlos juntos. Por lo tanto, es el sensor 150 de par de torsión el que une el engranaje 108 cónico al marco del brazo 101, y el par de torsión aplicado alrededor del eje 103 se aplica a través del sensor de par de torsión. El tubo de torsión tiene un interior hueco y una pared relativamente delgada en su tubo 150 de torsión. Cuando se aplica par de torsión a través del sensor de par de torsión, hay una ligera distorsión torsional del tubo de torsión. La deflexión del tubo de torsión se mide mediante galgas 160 extensiométricas fijadas a la pared interior del tubo de torsión. Las galgas extensométricas forman una salida eléctrica indicativa de la torsión, la cual proporciona una representación del par de torsión sobre el eje 103. Las galgas extensométricas podrían ser de otra forma: por ejemplo, galgas extensométricas de interferencia óptica las cuales proporcionan una salida óptica.

Para obtener la salida más precisa del sensor de par de torsión, debe impedirse la transferencia de torsión a partir del engranaje 108 cónico al marco 101 de manera que se desvíe del tubo 156 de torsión. Por esa razón, se prefiere reducir la fricción entre el cuello 153 del engranaje 108 cónico y la base 157 del sensor de par de torsión. Una posibilidad es proporcionar un espacio entre el cuello del engranaje cónico y la base del sensor de par de torsión y el tubo de torsión. Sin embargo, eso podría permitir que se aplicaran fuerzas de cizallamiento al tubo de torsión en una dirección transversal al eje 103, lo cual reduciría la precisión del sensor de par de torsión al exponer las galgas 160 extensométricas a otras fuerzas además de las de torsión. Otra opción es introducir una pista de cojinete entre el interior del cuello del engranaje 108 cónico y el exterior de la base 157 del sensor de par de torsión. Sin embargo, eso aumentaría sustancialmente el volumen ocupado por el mecanismo. En cambio, se ha demostrado que la disposición que se muestra en la Figura 8 da buenos resultados. Se proporciona un manguito o buje 161 alrededor del tubo 156 de torsión y dentro del cuello 153 del engranaje 108 cónico. El manguito está dimensionado para que haga contacto continuo con la pared interior del cuello 153 y con la pared exterior del tubo 156 de torsión, el cual también es de perfil circularmente cilíndrico. Toda la superficie interior del manguito hace contacto con el exterior del tubo 156 de torsión. Toda la superficie exterior del manguito hace contacto con la superficie interior del cuello 153. El manguito está construido de manera que aplica una fricción relativamente pequeña entre el cuello y el tubo de torsión: por ejemplo, el manguito puede estar formado o revestido con un material de baja fricción o auto-lubricante. El manguito está formado por un material sustancialmente incompresible para que pueda impedir la deformación del sensor de par de torsión bajo fuerzas de cizallamiento transversales al eje 103. Por ejemplo, el manguito se puede formar o recubrir con un material plástico tal como nailon, politetrafluoroetileno (PTFE), polietileno (PE) o acetal (por ejemplo, Delrin®), o de grafito o de un metal impregnado de lubricante.

Para facilitar el montaje del mecanismo, y para mantener el manguito 161 en su lugar, la pared interior del cuello 153 del engranaje 108 cónico está escalonada hacia adentro en 162, cerca de su extremo alejado de la porción 151 de engranaje que se extiende radialmente. Cuando el manguito 161 está ubicado entre el cuello 153 y el tubo 156 de torsión, y la cabeza 155 del sensor de par de torsión está atornillada a la porción 151 de engranaje, el manguito se mantiene cautivo tanto radialmente (entre el tubo de torsión y el cuello) como axialmente (entre la cabeza 155 del sensor de par de torsión y el escalón 162 de la superficie interior del cuello 153 del engranaje cónico). Se prefiere que el radio interno del cuello 153 en la región 163 más allí del escalón 162 sea tal que la superficie interna del cuello en esa región esté separada del sensor 150 de par de torsión, impidiendo la transferencia de par de torsión por fricción entre los dos.

Pueden utilizarse disposiciones similares para el sensor de par de torsión alrededor del otro eje 102 de la realización de las Figuras 7 a 10, y para los sensores de par de las realizaciones de las otras figuras.

Los sensores de efecto Hall se utilizan para detectar la posición de rotación de las juntas. Cada sensor de posición comprende un anillo de material dispuesto alrededor de uno de los ejes de rotación. El anillo tiene una serie de polos magnéticos norte y sur alternos separados regularmente. Adyacente al anillo hay un chip sensor con una matriz de sensores que comprende múltiples dispositivos de efecto Hall los cuales pueden detectar el campo magnético y medir la posición de los polos magnéticos en el anillo en relación con la matriz de sensores para proporcionar una salida de múltiples bits indicativa de esa posición relativa. Los anillos de polos magnéticos están dispuestos de tal manera que cada posición de la junta respectiva dentro de un rango de 360° está asociada con un conjunto único de salidas del par de sensores magnéticos. Esto se puede lograr proporcionando diferentes números de polos en cada anillo y haciendo que los números de polos de los anillos sean coprimos entre sí. Los sensores de posición de efecto Hall que emplean este principio general son conocidos por su uso en robótica y para otras aplicaciones.

Más específicamente, asociado con cada junta hay un par de anillos magnetizados alternativamente, y sensores asociados. Cada anillo está dispuesto concéntricamente alrededor del eje de su respectiva junta. Los anillos están sujetos con un elemento a un lado de la junta y los sensores están sujetos con un elemento al otro lado de la junta, resultando que hay un movimiento de rotación relativo de cada anillo y su respectivo sensor cuando hay rotación del brazo robótico sobre la junta respectiva. Cada sensor individual mide dónde entre un par de polos se coloca el anillo asociado en relación con el sensor. No se puede determinar a partir de la salida de un sensor individual cuál de los pares de polos en el anillo está por encima del sensor. Por lo tanto, los sensores individuales solo se pueden usar de manera relativa y requerirían calibración al encenderlos para conocer la posición absoluta de la junta. Sin embargo, al usar un par de anillos diseñados para que el número de pares de polos en cada anillo no tenga factores comunes, es posible combinar la medición del par entre polos de ambos sensores y calcular la posición absoluta de la junta sin calibración.

Por lo tanto, los anillos magnéticos funcionan como escalas de posición para determinar la posición de rotación entre las partes 310 y 311 del brazo alrededor de un eje de rotación. Cada sensor puede estar asociado con una escala de posición respectiva. Un sensor para medir la posición de rotación de la parte 311 del brazo con respecto a la parte 310 del brazo alrededor de un eje de rotación dado puede estar asociado con una escala de posición dispuesta alrededor de ese eje. Un sensor y su escala de posición asociada pueden estar ubicados en lados opuestos de la junta con la cual están asociados, de tal modo que haya una rotación relativa entre el sensor y la escala cuando el brazo se articula alrededor de la junta asociada. Esto permite medir el movimiento relativo entre las dos partes del brazo conectadas por la junta.

Los anillos magnéticos y sensores se muestran en las Figuras 7 a 10. Para la junta que proporciona rotación alrededor del eje 102, la posición se detecta a través de anillos 200 y 201 magnéticos y sensores 202 y 203. Para la junta que proporciona rotación alrededor del eje 103, la posición se detecta a través de los anillos 210, 211 magnéticos, el sensor 212 y otro sensor que no se muestra. El anillo 200 magnético es solidario con el portador 104 y está montado en un lado del portador. El anillo 201 magnético está sujeto al portador 104 y está montado en el otro lado del portador al anillo 200 magnético. Los anillos 200, 201 magnéticos son planos y están dispuestos perpendiculares y centrados en el eje 102. Los sensores 202 y 203 están sujetos con el marco 100 de la parte 310 del brazo. El sensor 202 está montado de modo que esté adyacente a un lado del anillo 200. El sensor 203 está montado de manera que quede adyacente a un lado del anillo 201. Los cables 204, 205 transportan las señales de los sensores 202, 203. El anillo 210 magnético es solidario con el portador 104 y está montado en un lado de una brida 220 del soporte. El anillo 211 magnético está sujeto al portador 104 y está montado en el otro lado de la brida 220 al anillo 200 magnético. Los anillos 210, 211 magnéticos son planos, y están dispuestos perpendiculares y centrados en el eje 103. El sensor 212 y el otro sensor para la rotación alrededor del eje 103 están sujetos con el marco 101 de la parte 311 del brazo. El sensor 212 está montado de manera que quede adyacente a un lado del anillo 210. El otro sensor está montado de forma que quede adyacente a un lado del anillo 211.

Así, en la disposición de las Figuras 7 a 10, la rotación alrededor de cada uno de los ejes 102, 103 se detecta a través de dos anillos magnéticos multipolares, cada uno con un sensor asociado respectivo. Cada sensor genera una señal de múltiples bits que representa la posición relativa de los polos más cercanos en el anillo respectivo al sensor. Al disponer que el número de polos en los dos anillos sea coprimo, las salidas de los sensores son en combinación indicativas de la configuración de la junta dentro de un rango de 360°. Esto permite detectar la posición de rotación de la junta dentro de ese rango. Además, en la disposición de las Figuras 7 a 10, los dos anillos asociados con cada junta (es decir, los anillos 200, 201 por un lado, y los anillos 210, 211 por el otro) están ubicados de manera que estén sustancialmente desplazados entre sí a lo largo del eje de la junta respectiva. El anillo 200 está ubicado cerca del cojinete 190 en un lado del cuerpo del portador 104, a la vez que el anillo 201 está ubicado cerca del cojinete 105 en el lado opuesto del portador 104. El anillo 210 está ubicado en un lado de la brida 220 a la vez que el anillo 211 está ubicado en el otro lado de la brida 220. Cada anillo está hecho de una lámina de material la cual es plana en un plano perpendicular al eje alrededor del cual se dispone el anillo. Los anillos magnéticos de cada par (es decir, los anillos 200, 201 por un lado y los anillos 210, 211 por otro lado) están separados entre sí en la dirección a lo largo de sus ejes respectivos por una distancia mayor que 5 y más preferiblemente mayor que 10 o superior a 20 veces el espesor de los anillos del par. Convenientemente, los anillos de un par pueden estar en lados opuestos de la junta respectiva, como con los anillos 200, 201. Convenientemente, el portador 104 al cual están unidos los dos anillos de un par se extiende radialmente hacia fuera para quedar en una ubicación radial que está entre los anillos cuando se ve en un plano que contiene el eje de rotación respectivo. Así, por ejemplo, la brida 220 se encuentra radialmente entre los anillos 210 y 211. Convenientemente, la junta respectiva puede estar soportada o definida por dos cojinetes, uno a cada lado de la junta a lo largo del eje respectivo, y en ubicaciones extremas en la junta, y él o cada anillo para esa junta puede superponerse a uno de los cojinetes respectivos en un plano perpendicular al eje. Convenientemente, los sensores para los anillos pueden montarse en una parte del brazo que está articulada por la junta. Los sensores se pueden montar en lados opuestos de la parte del brazo.

Separando los anillos, se puede mejorar mucho el empaquetado de la junta y/o de la parte del brazo donde se montan los sensores asociados. La separación de los anillos permite más oportunidades para ubicar los anillos en una ubicación conveniente, y permite que los sensores estén separados, lo cual en sí mismo puede proporcionar ventajas de empaquetado. Se prefiere que la junta sea lo suficientemente rígida en comparación con el número de polos magnéticos en los anillos para que la torsión de la junta bajo carga no afecte adversamente la medición. Por ejemplo, se prefiere que la junta sea lo suficientemente rígida para que, bajo su carga operativa nominal máxima, los elementos de la junta no puedan torcerse tanto como para causar un cambio en el orden de las transiciones magnéticas en los sensores, aunque estén separados. Eso permite detectar la dirección, además del movimiento, para todas las condiciones de carga.

Por lo tanto, en las disposiciones que se muestran en las Figuras 7 a 10, los sensores 202, 203 y 212 detectan la posición de rotación de la parte 311 del brazo en relación con la parte 310 del brazo sobre los ejes 102 y 103, respectivamente, midiendo la posición de cada sensor en relación con su escala asociada dispuesta sobre el eje de rotación correspondiente. En los ejemplos anteriores, las escalas toman la forma de anillos magnéticos, o pistas, 200, 201 y 202, 203. En otras palabras, los sensores 202 y 203 miden la posición rotacional de la parte 311 del brazo en relación con la parte 310 del brazo alrededor del eje 102 midiendo la posición de esos sensores en relación con las escalas 210 y 211 asociadas respectivamente, donde ambas escalas 210 y 211 están dispuestas alrededor del eje.

102. El sensor 212 mide la posición rotacional de la parte 311 del brazo en relación con la parte 310 del brazo alrededor del eje 103 midiendo la posición de ese sensor en relación con la escala 211 asociada dispuesta alrededor del eje 103.

La parte 311 del brazo es distal de la parte 310 del brazo. La parte 310 del brazo está próxima a la junta sobre los ejes 102 y 103 que se muestran en las Figuras 7 a 10. Como se discutió con referencia a la Figura 1, los datos de los sensores de par de torsión y los sensores de posición se retroalimentarán a la unidad 10 de control. Es deseable que esos datos pasen por conexiones cableadas que pasan por el propio brazo.

Cada parte del brazo comprende una placa de circuito. Las Figuras 7 a 10 muestran una placa 250 de circuito llevada por la parte 311 del brazo. Cada placa de circuito incluye un codificador/decodificador de datos (por ejemplo, el circuito 251 integrado). El codificador/decodificador convierte señales entre formatos utilizados localmente en la parte del brazo respectivo y un formato utilizado para la transmisión de datos a lo largo del brazo. Por ejemplo: (a) localmente a la parte del brazo, los sensores de posición pueden devolver lecturas de posición a medida que pasan por las transiciones de los polos magnéticos, el sensor de par de torsión puede devolver una señal analógica o digital indicativa del par de torsión detectado actualmente y los motores de accionamiento pueden requerir un ancho de pulso modulado señal de accionamiento; a la vez que (b) para la transmisión de datos a lo largo del brazo se puede utilizar un protocolo de transmisión de datos genérico, el cual puede ser un protocolo de datos por paquetes tal como Ethernet. Por lo tanto, los codificadores/decodificadores pueden recibir paquetes de datos transportados a lo largo del brazo a partir de la unidad 10 de control e interpretar sus datos para formar señales de control para cualquier motor local, y pueden recibir datos detectados localmente y convertirlos en paquetes para transmitirlos a la unidad de control. Las placas de circuito a lo largo del brazo se pueden encadenar entre sí mediante cables de comunicación, de modo que las comunicaciones a partir de una placa relativamente distante pasen por las placas más próximas.

En general, es deseable no enviar datos a partir de un componente del brazo a un componente más distal del brazo. Hacerlo implicaría que los cables se desplazaran innecesariamente en sentido distal en el brazo, lo que aumentaría el peso distribuido distalmente; y dado que las placas de circuito están encadenadas una vez que los datos han sido enviados a una placa relativamente distante, la siguiente placa más próxima manejará los datos de todos modos para reenviarlos.

Sin embargo, también puede ser deseable minimizar el número de cables que cruzan una junta debido a la dificultad potencial de disponer adecuadamente dichos cables para impedir que se dañen por las articulaciones de la junta y/o impedir que interfieran con las articulaciones de la junta. En determinadas circunstancias, estos dos requisitos pueden entrar en conflicto, lo que significa que una disposición adecuada de los cables puede implicar la gestión de ese conflicto.

A continuación se describen diversas disposiciones de los cables y sus conexiones a los sensores de posición y par de torsión que pueden ser adecuados para gestionar este conflicto para diferentes implementaciones del brazo robótico.

La primera disposición a describir es la que se ilustra en las Figuras 7 a 10.

La junta compuesta alrededor de los ejes 102, 103 tiene sensores 202, 203 de posición de rotación (para rotación alrededor del eje 102) y 212 (para rotación alrededor del eje 103). Los sensores 202, 203 están montados en el marco 100 de la parte 310 del brazo que está próxima a la junta cuyo movimiento mide el sensor. Los datos de los sensores 202, 203 de posición se alimentan a lo largo de los cables 204, 205 los cuales conducen a lo largo de la parte 310 del brazo proximalmente a los sensores. El sensor 212 está montado en el marco 101 de la parte 311 del brazo. Los datos del sensor 212 de posición se alimentan a lo largo de un cable a la placa 250 de circuito en la misma parte del brazo. En cada caso, los datos no se pasan a un elemento más distal del brazo que aquél donde se recogieron los datos.

La junta compuesta alrededor de los ejes 102, 103 tiene sensores 150 de par de torsión (para rotación alrededor del eje 103) y 191 (para rotación alrededor del eje 102). Los datos detectados por los sensores 150, 191 de par de torsión se transportan en forma nativa a la placa 250 de circuito mediante cables flexibles. En la placa 250 de circuito, el codificador/decodificador 251 codifica los datos detectados, por ejemplo, a paquetes Ethernet, y los transmite a la unidad 10 de control. Por lo tanto, en lugar de ser alimentados a la placa de circuito de la parte 310 más proximal del brazo para la codificación, los datos de los sensores de par de torsión se pasan a la placa de circuito de la parte del brazo más distal para la codificación, y luego a partir de esa placa de circuito se pasan mediante cables en dirección distal a lo largo del brazo.

Esta disposición se ilustra en la Figura 11. La parte 310 del brazo comprende la placa 195 de circuito la cual recibe datos del sensor 202 de posición y proporciona datos de comando a los motores 109, 110. La parte 311 del brazo comprende la placa 250 de circuito la cual recibe datos del sensor 212 de posición y los sensores 150, 191 de par de torsión. La placa 250 de circuito codifica los datos detectados y los pasa por un bus 196 de datos a la placa 195 de circuito, la cual los reenvía hacia la unidad 10 de control a través de un enlace 197. El sensor 202 de posición está conectado directamente mediante un cable a la placa 195 de circuito. El sensor 212 de posición y los sensores 150, 191 de par de torsión están conectados directamente mediante cables a la placa 250 de circuito. La placa 250 de circuito y la placa 195 de circuito están conectadas por el bus 196 de datos. El sensor 212 de posición y los sensores 150, 191 de par de torsión están acoplados a la placa 195 de circuito a través de la placa 250 de circuito (y el bus 196 de datos).

Por lo tanto, en la disposición que se muestra en la Figura 11, ambos sensores 150 y 191 de par de torsión están conectados mediante respectivos cables de datos a la placa 250 de circuito ubicada en la parte 311 del brazo distal. Un sensor de posición (sensor 212) también está conectado mediante un cable de datos a la placa 250 de circuito; y un sensor de posición (sensor 202) está conectado mediante un cable de datos a la placa 195 de circuito ubicada en la parte 310 del brazo proximal.

Diversos aspectos de esta disposición pueden ser ventajosos para minimizar el número de componentes ubicados distalmente en el brazo a la vez que también se minimiza el número de cables que cruzan la junta.

Por ejemplo, a menudo es deseable medir el par de torsión de 'salida' (es decir, el par de torsión realmente aplicado a través de una junta), en lugar del par de torsión de 'entrada' (es decir, el par de torsión proporcionado por el actuador de la junta (por ejemplo, el motor) antes de que se aplique a la junta) ya que esto puede proporcionar un control más preciso del movimiento del brazo robótico. Así, en las disposiciones que se muestran en las Figuras 7 a 10, el sensor 191 de par de torsión acopla el engranaje 107 impulsor al portador 104 y el sensor 150 de par de torsión acopla el engranaje 108 impulsor a la parte 311 del brazo distal. El sensor 191 de par de torsión se puede unir tanto al engranaje 107 impulsor como al portador 104; y el sensor 191 de par de torsión se puede conectar tanto al engranaje 108 impulsor como a la parte 311 del brazo distal. Así, el sensor 191 de par de torsión está situado después del engranaje 107; es decir, el par de torsión se transfiere en serie a través de un tren de transmisión a partir del engranaje 107 al sensor 191 de par de torsión hasta el portador 104. De manera similar, el sensor 150 de par de torsión está ubicado después del engranaje 108; por lo tanto, el par de torsión se transfiere en serie a través de un tren de transmisión a partir del engranaje 108 al sensor 150 de par de torsión hasta la parte 311 del brazo. Dado que el sensor 150 de par de torsión está ubicado en la porción distal del engranaje 108 impulsor, es conveniente que este sensor de par de torsión se conecte a través de un cable de datos a la placa 250 de circuito llevada por la parte 311 del brazo distal. Esto impide que el cable de datos para el sensor 150 de par de torsión atraviese la junta compuesta.

A menudo también es deseable que los sensores de posición midan las salidas reales del movimiento de la junta (por ejemplo, la posición relativa entre las partes 310 y 311 del brazo sobre una junta) en lugar de medir una salida del actuador de la junta (por ejemplo, la posición de rotación de árboles 111 y/o 112). Esto se debe a que la posición de una junta medida puede proporcionar datos de entrada más precisos para el sistema de control que la posición medida del actuador impulsor utilizado para accionar la junta. Para medir directamente la posición de las juntas, cada sensor está ubicado en un lado de una junta y está asociado con una respectiva pista magnética, o escala, ubicada en el otro lado de esa junta. El movimiento de rotación relativo entre un sensor y su escala asociada cuando el brazo se articula alrededor de la junta se usa para determinar la posición de las partes del brazo entre sí alrededor de esa junta. Los sensores comunican datos que representan una posición detectada sobre una junta a través de un cable de datos. Es decir, los sensores son componentes cableados que están conectados a un cable de datos. Las escalas de posición pueden ser componentes inalámbricos, por ejemplo en el caso de que las escalas sean anillos magnéticos.

Por lo tanto, es conveniente si el sensor 202 (el cual mide la posición entre la parte 310 del brazo y el portador 104 alrededor del eje 102) está ubicado dentro de la parte 310 del brazo; y si el sensor 212 (el cual mide la posición entre el portador 104 y la parte 311 del brazo) está ubicado dentro de la parte 311 del brazo. En otras palabras, el sensor 202 está ubicado proximalmente a las juntas, y el sensor 212 está ubicado distalmente a las juntas y ambas escalas 200, 210 asociadas están ubicadas en el portador 104. En otras palabras, los componentes cableados están ubicados en lados opuestos de las juntas y los componentes inalámbricos están ubicados en el portador interpuesto entre los componentes cableados. De esta forma, el sensor 202 se puede conectar a través de un cable de datos a su placa 195 de circuito local y el sensor 212 se puede conectar a través de un cable de datos a su placa 250 de circuito local, impidiendo que cualquiera de los cables de datos cruce las juntas.

En la disposición que se muestra en la Figura 11, el sensor 191 de par de torsión está conectado a la placa 250 de circuito ubicada dentro de la parte 311 del brazo distal. En ciertas implementaciones, este puede ser la disposición más conveniente; sin embargo, en otras implementaciones las cuales no pertenecen a la invención puede ser más conveniente (a partir de una perspectiva de diseño o fabricación) que el sensor 191 se conecte a través de un cable de datos a la placa 195 de circuito ubicada en la parte 310 del brazo proximal. Aunque esto requeriría que el cable de datos atraviese la junta con el eje 102 de rotación, sin embargo, puede ser físicamente más fácil disponer el sensor y el cable de esta manera para que encajen en el diseño del robot o se ensamblen en el robot durante su fabricación.

La Figura 12 muestra un ejemplo de esta disposición alternativa.

La parte 310 del brazo proximal se muestra conectada a la parte 311 del brazo distal a través de la muñeca 5. La parte 310 del brazo proximal nuevamente comprende una placa 195 de circuito ubicada proximalmente a las juntas. Tanto el sensor 202 de posición como el sensor 191 de par de torsión están conectados directamente a la placa 195 de circuito a través de cables respectivos para transferir datos a partir de los sensores a la placa de circuito. La placa 195 de circuito codifica los datos detectados por los sensores 202 y 191 y los comunica a la unidad 10 de control a través del enlace 197 de datos. La parte 311 del brazo comprende una placa 250 de circuito ubicada distalmente a las juntas. El sensor 212 de posición y el sensor 150 de par de torsión están conectados directamente a la placa 250 de circuito a través de respectivos cables de datos. La placa 250 de circuito codifica los datos detectados por los sensores 150 y 212 y los comunica a la placa 195 de circuito a través de un bus 196 de datos. Por lo tanto, el bus 196 de datos cruza las juntas. Nuevamente, los sensores 202 y 212 están ubicados en lados opuestos de la junta compuesta de la muñeca 5, es decir, los sensores 202 y 212 están separados por la junta compuesta (y el portador 104).

La disposición de los sensores de posición y par de torsión y sus cables de datos dentro del brazo robótico se ha discutido hasta ahora con respecto a las juntas compuestas. Sin embargo, la posición y conexión de los sensores de datos a las unidades de comunicación también es una consideración para las juntas giratorias (es decir, juntas con un solo grado de libertad).

La Figura 13 muestra una disposición de sensores de posición y par de torsión dentro de un brazo robótico para una junta giratoria que conecta dos miembros o partes del brazo adyacentes.

En particular, la parte 501 del brazo está conectada a la parte 502 del brazo a través de una única junta 503. La parte 502 del brazo es distal de la parte 501 del brazo. La junta 503 es una junta giratoria que tiene un solo eje 504 de rotación (orientado hacia la página en esta vista) que permite que la parte 502 del brazo se articule con respecto a la parte 501 del brazo. Ninguna otra junta conecta las partes 501 y 502 del brazo entre sí. Un motor 505 acciona un árbol 506 de transmisión para que gire alrededor de su eje longitudinal. El árbol 506 de transmisión tiene fijado en su extremo terminal un árbol 507 de transmisión, en forma de piñón en este ejemplo. El engranaje 507 engrana con un engranaje 508 de transmisión (que se muestra en este ejemplo como un engranaje cónico). El engranaje 508 está dispuesto alrededor del eje 504, y está montado de forma giratoria sobre un eje (no se muestra) coincidente con este eje. El engranaje 508 está sujeto con la parte 502 del brazo distal. Cuando el motor 505 acciona el árbol 506, la rotación del árbol 507 de transmisión hace que el engranaje 508 gire alrededor de su eje 504 de rotación, lo que a su vez hace que la parte 502 del brazo se articule con respecto a la parte 501 del brazo alrededor del eje 504.

Una unidad de sensor de posición (indicada en general en 511) mide la posición de rotación de la junta 503. La unidad de sensor de posición comprende un sensor 512 y una escala 513 de posición asociada. El sensor 512 está ubicado dentro de la parte 501 del brazo proximal. Puede montarse en un elemento (por ejemplo, un marco) dentro de la parte 501 del brazo. La escala 513 de posición está sujeta con el engranaje 508 de transmisión y está dispuesta alrededor del eje 504 de rotación (solo se muestra una porción de la escala 513 en la Figura 13 para mayor claridad). Por lo tanto, el sensor 512 y la escala 513 están ubicados en lados opuestos de la junta 503 y, por lo tanto, experimentan un movimiento de rotación relativo cuando las partes 501 y 502 del brazo se articulan entre sí alrededor del eje 504 (es decir, cuando la junta 503 está articulada). La escala 513 de posición puede tener la forma de una pista o anillo magnético, como se describe anteriormente con referencia a las Figuras 7 a 10. La escala de posición puede funcionar de la misma manera que los anillos 200, 201, 210 y 212 magnéticos como se ha descrito anteriormente.

Tener el sensor de posición y la escala de posición en lados opuestos de la junta permite medir directamente la posición de la junta, en lugar de medir la posición de la salida del actuador de la junta (tal como la posición del árbol 506 de transmisión). Esto es ventajoso porque la posición de la junta medida puede ser una entrada más útil para la unidad 10 de control que la salida del accionador de la junta.

Una unidad 514 de sensor de par de torsión mide el par de torsión aplicado sobre la junta 503. El sensor de par puede asentarse en el eje alrededor del cual gira el engranaje 508 de transmisión. El sensor 514 de par de torsión puede estar en la misma disposición y operar de la misma manera que los sensores 150 y 191 de par de torsión. El sensor 514 de par de torsión acopla el engranaje 508 de transmisión a la parte 502 del brazo. El sensor 514 de par de torsión se puede conectar tanto al engranaje 508 como a la parte 502 del brazo. Por lo tanto, el sensor 514 de par de torsión puede interponerse entre el engranaje 508 de transmisión y la parte 502 del brazo. Por lo tanto, el sensor 514 de par de torsión está ubicado después, o distalmente, del engranaje 508 de modo que cuando se articula la junta 503, el par de torsión se transfiere en serie a partir del engranaje 508, a través del sensor 514 a la parte 502 del brazo. Como se describió anteriormente, una disposición de este tipo permite que el sensor 514 mida el par de torsión aplicado a través de la junta 503, en oposición al par de torsión de salida del accionador de la junta. Esto es ventajoso porque el valor detectado del par de torsión aplicado a través de la junta puede proporcionar una entrada más precisa a la unidad de control del brazo robótico.

El brazo robótico comprende unidades 509 y 510 de comunicaciones en forma de placas de circuitos. La unidad 509 de comunicaciones está ubicada en la parte 501 del brazo y la unidad 510 de comunicaciones está ubicada en la parte 502 del brazo. Por lo tanto, la unidad 509 de comunicaciones está próxima a la junta 503; y la unidad 510 de comunicaciones está distal a la junta 503. Las unidades 509 y 510 de comunicaciones están interconectadas por un bus 517 de datos.

La unidad 509 de comunicaciones está conectada al sensor 512 mediante un cable 515 de datos que se extiende a lo largo de la parte 501 del brazo proximal. El cable 515 puede conectar directamente el sensor 512 a la unidad 509 de comunicaciones. El cable 515 de datos comunica los datos de posición detectados de la junta 503 a la unidad 509 de comunicaciones. Esos datos pueden denominarse datos sin procesar. La unidad 509 de comunicaciones codifica los datos detectados y comunica los datos codificados a la unidad 10 de control a través del enlace 516 de comunicaciones. El enlace 516 de comunicaciones podría ser un enlace físico, tal como un cable o un bus de datos. La unidad 509 de comunicaciones puede funcionar de la misma manera que la placa 195 de circuito descrita anteriormente. En particular, la unidad 509 de comunicaciones puede empaquetar los datos detectados a partir del sensor 512 (por ejemplo, a paquetes de Ethernet) y comunicar esos paquetes a la unidad de control. La unidad 509 de comunicaciones también puede proporcionar datos de comando al motor 505. Los datos de comando pueden proporcionarse a través de un enlace físico (por ejemplo, un cable) que interconecta la unidad 509 de comunicaciones y el motor 505.

La unidad 510 de comunicaciones está conectada al sensor 514 de par de torsión mediante un cable de datos 518 que se extiende a lo largo de la parte 502 del brazo distal. El cable 518 puede conectar directamente el sensor 514 de par de torsión y la unidad 510 de comunicaciones. El cable 518 comunica los datos de torsión detectados aplicados a través de la junta 503 (los cuales pueden denominarse datos sin procesar) a la unidad 510 de comunicaciones. La unidad 510 de comunicaciones puede operar para codificar los datos de par de torsión detectados de la misma manera que la placa 250 de circuito descrita anteriormente. La unidad 510 de comunicaciones codifica los datos de par de torsión detectados y comunica los datos de par de torsión codificados a la unidad 509 de comunicaciones a través del bus 517 de datos. Por lo tanto, los datos de par de torsión detectados codificados se comunican distalmente a lo largo del brazo a partir de la unidad 510 de comunicaciones a la unidad 509 de comunicaciones. Por lo tanto, el sensor 514 de par de torsión está acoplado a la unidad 509 de comunicaciones proximal a través de la unidad 510 de comunicaciones distal.

Así, en la disposición que se muestra en la Figura 13, los datos de posición detectados se comunican antes, o próximamente, de la junta 503 (es decir, en la dirección proximal con respecto a la junta 503). Los datos de par de torsión detectados, por otro lado, se comunican después, o distalmente, de la junta 503 (es decir, en la dirección distal con respecto a la junta 503).

Esta disposición es ventajosa porque permite que los datos detectados a partir de los sensores de posición y par de torsión se comuniquen a una unidad de comunicaciones sin que los cables de datos que transportan esos datos crucen la junta 503. Esto limita la comunicación de datos que cruza la junta 503 solo a la vía del bus 517.

Se pueden realizar diversas modificaciones y alternativas a las realizaciones que se muestran en las Figuras 11 a 13. Por ejemplo:

En la Figura 13, el sensor 512 de posición está conectado mediante un cable de datos a la unidad 509 de comunicaciones soportada por la parte 501 del brazo proximal. Esto se debe a que el sensor 512 está soportado por la parte 501 del brazo proximal y la escala 513 de posición asociada soportada por la parte 502 del brazo distal, de modo que el sensor 512 y la escala 513 están en lados opuestos de la junta 513. En una disposición alternativa, el sensor 512 puede ser soportado por la parte 502 del brazo distal y la escala 513 de posición asociada puede ser soportada por la parte 501 del brazo proximal. Por ejemplo, la escala de posición puede estar dispuesta alrededor del eje 504 de rotación (como antes) pero está sujeta con la parte 501 del brazo y giratoria con respecto a la parte 502 del brazo (y por lo tanto el engranaje 508 de transmisión) alrededor del eje 504. El sensor 512 puede estar sujeto con el engranaje 508 de transmisión y la parte 502 del brazo y, por lo tanto, el sensor y la parte del brazo aún experimentan un movimiento relativo cuando la junta 503 está articulada. Si el sensor 512 está soportado por la parte 502 del brazo distal, es conveniente que el sensor se conecte a la unidad 510 de comunicaciones mediante un cable de datos que corre a lo largo de la parte 502 del brazo, en lugar de la unidad 509 de comunicaciones. Esto impide de nuevo que el cable de datos que comunica los datos detectados a partir del sensor 512 cruce la junta.

Los cables que conectan los sensores a las placas de circuito en la disposición de la Figura 13 se han descrito como cables de datos. Los cables de datos pueden ser cables eléctricos. Alternativamente, los sensores y las placas de circuitos podrían conectarse mediante algún otro tipo de enlace de datos físicos, tales como fibras ópticas.

Los enlaces de datos físicos para cada disposición en las Figuras 11 a 13 podrían ubicarse en diversas posiciones dentro del brazo robótico. En un conjunto de ejemplos, cada parte del brazo, o miembro, comprende una carcasa que define una superficie exterior, o pared, de esa parte del brazo. Los enlaces de datos físicos podrían funcionar dentro de la pared exterior. En un conjunto alternativo de ejemplos, los enlaces de datos físicos podrían montarse en el exterior de la pared exterior. Por ejemplo, cada uno de ellos puede montarse en la superficie exterior de la pared exterior.

Se ha descrito que la disposición de la Figura 13 incluye solo un único sensor 512 de posición y una escala 513 de posición asociada. La disposición podría incluir un segundo sensor y una escala de posición asociada separada lateralmente del sensor 512 y la escala 513 a lo largo de la dirección del eje 504 de rotación. Esto permitiría determinar la posición angular de la junta 504 sin necesidad de realizar una etapa de calibración.

Las escalas de posición de la Figura 13 se han descrito como pistas o anillos magnéticos. Los anillos están dispuestos alrededor del eje 504. En otro ejemplo, la escala de posición puede tener la forma de una pista resistiva o conductiva dispuesta alrededor del eje 504. En este caso, el sensor 512 puede comprender una leva conductiva unida a la pista. La leva se mueve en relación con la pista cuando la junta 503 está articulada. Esto cambia la resistencia entre un punto en la pista y la leva, de modo que la resistencia es una función de la posición de la leva. A continuación, el sensor utiliza la resistencia medida para determinar la posición de la leva (y, por lo tanto, de la junta 503).

El engranaje 508 de transmisión y el árbol 507 de transmisión de la Figura 13 se han elegido simplemente como ejemplo para ilustrar una junta giratoria. Se apreciará que la disposición de los sensores y cables de datos en la Figura 13 es aplicable a otros tipos de engranajes utilizados para articular una junta giratoria. Por ejemplo, el engranaje 508 de transmisión podría ser un engranaje recto, un engranaje cónico, un engranaje hipoidal, etc. El árbol 507 de transmisión podría ser un engranaje recto, un engranaje cónico, un tornillo helicoidal, etc.

Como se ilustra en la Figura 2, la parte 4c del brazo está soportada por la parte 311 del brazo y se puede girar con respecto a la parte 4c del brazo alrededor del eje 307. La Figura 14 muestra una sección transversal de un módulo que comprende la parte 4c del brazo. El módulo tiene una base 400 y una pared 440 lateral la cual está sujeta con la base. La base 400 se une a la cara 401 de extremo del extremo distal de la parte 311 del brazo. (Véase la Figura 7). La parte 4c del brazo se indica en general en 403. La parte 4c del brazo puede girar con respecto a la base alrededor de un eje 402 correspondiente al eje 307 de la Figura 2. Con ese fin, la parte 4c del brazo está montada en la pared 440 lateral mediante cojinetes 430, 431 los cuales definen una junta giratoria entre la pared 440 lateral y la parte 4c del brazo alrededor del eje 402.

La parte 4c del brazo tiene una cubierta 404 la cual alberga sus componentes internos. Esos componentes incluyen una placa 405 de circuito y motores 406, 407. Los motores 406, 407 están fijados a la carcasa 404 para que no puedan girar con respecto a ella. La carcasa 404 puede girar libremente con respecto a la base 400 a través de los cojinetes 430, 431. Un canal 408 atraviesa el interior del módulo para acomodar un cable de comunicación (no se muestra) que pasa a partir de la placa 250 de circuito a la placa 405 de circuito. El cable de comunicación transporta señales las cuales, cuando son decodificadas por un codificador/decodificador de la placa 405 de circuito, hacen que emita señales de control para controlar el funcionamiento de los motores 406, 407.

El motor 406 acciona la rotación de la parte 4c del brazo con respecto a la parte 311 del brazo. Por lo tanto, el motor 406 acciona la rotación de la carcasa 404 con respecto a la base 400. La base 400 tiene un saliente 410.

Un sensor de par de torsión en general del tipo discutido en relación con las Figuras 9 y 10 está unido al saliente 410. El sensor de par de torsión tiene un miembro integral que comprende una base 411, un tubo 412 de torsión y una cabeza 413 que se extiende radialmente. La base 411 del sensor de par de torsión está sujeta con el saliente 410 de la base 400. Al igual que con el sensor de par de torsión de las Figuras 9 y 10, un manguito 421 se extiende alrededor del tubo de torsión del sensor de par de torsión para protegerlo de las fuerzas de cizallamiento y reducir la fricción entre este y el componente circundante, el cual es la base 400.

Un engranaje 420 interiormente dentado está sujeto con la cabeza 413 del sensor de par de torsión. El motor 406 acciona un árbol 414 el cual lleva un engranaje 415 de piñón. El engranaje 415 de piñón engrana con el engranaje 420 interno. Por lo tanto, cuando se opera el motor 406, hace girar el engranaje 415 de piñón y esto hace que la parte 4c del brazo, de la cual forma parte el motor 406, gire alrededor del eje 402. El par de torsión resultante alrededor del eje 402 se transmite a la base 400 a través del tubo 412 de torsión del sensor de par de torsión, lo que permite medir ese par de torsión mediante galgas extensométricas unidas al tubo de torsión.

La interfaz 8 para la fijación a un instrumento se muestra en la Figura 14. El árbol 440 del motor 407 está expuesto en la interfaz para proporcionar accionamiento a un instrumento.

Los datos de par de torsión del sensor 411,412, 413 de par de torsión se pasan a la placa 250 de circuito en la parte 311 del brazo para su codificación. La posición rotacional de la parte 4c del brazo puede ser detectada por un sensor 445 llevado por la parte 4c del brazo y la cual detecta las transiciones entre los polos magnéticos en los anillos 446, 447 montados en el interior de la carcasa 404. Los datos del sensor 445 se pasan a la placa 405 de circuito de la parte 4c del brazo para su codificación.

Los motores que accionan la rotación alrededor de las juntas 102 y 103 están montados proximalmente a esas juntas, en la parte 310 del brazo. Como se discutió anteriormente, esto mejora la distribución del peso al impedir que el peso se coloque más cerca del extremo distal del brazo. Por el contrario, el motor que acciona la rotación de la parte 4c del brazo está montado en la parte 4c del brazo en lugar de en la parte 311 del brazo. Aunque esto podría verse como una desventaja debido a que requiere que el motor 406 se monte más distalmente, se ha encontrado que esto permite que la parte 311 del brazo sea especialmente compacta. El motor 406 se puede empaquetar en la parte 4c del brazo en paralelo con el o los motores (por ejemplo, 407) los cuales proporcionan accionamiento al instrumento: es decir, de modo que los motores se crucen en un plano común perpendicular al eje 402. Eso significa que la incorporación del motor 406 en la parte 4c del brazo no necesita hacer que la parte 4c del brazo sea sustancialmente más larga.

En lugar de engranajes dentados, el accionamiento de las juntas podría ser por medios de fricción.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Un brazo robótico que tiene una junta compuesta entre un primer miembro (310) del brazo y un segundo miembro (311) del brazo, siendo el segundo miembro (311) del brazo distal del primer miembro (310), comprendiendo el brazo:

un elemento (104) acoplador acoplado al primer miembro (310) del brazo por una primera junta giratoria que tiene un primer eje (102) de rotación y al segundo miembro (311) del brazo por una segunda junta giratoria que tiene un segundo eje (103) de rotación;

sensores de posición rotacional primero (202) y segundo (212) para detectar la configuración del brazo alrededor de las juntas primera y segunda respectivamente;

sensores de par de torsión primero (191) y segundo (150) para detectar el par de torsión aplicado alrededor de las juntas primera y segunda respectivamente;

una unidad (10) de control para controlar el funcionamiento del brazo;

una primera unidad (195) de comunicaciones soportada por el primer miembro (310) y ubicada proximalmente al acoplador (104) y una segunda unidad (250) de comunicaciones soportada por el segundo miembro (311) y ubicada distalmente al acoplador (104), pudiendo cada unidad de comunicaciones codificar los datos recibidos de uno o más de los sensores de posición y/o par de torsión en un primer formato de datos en paquetes de datos y transmitir esos paquetes a la unidad (10) de control de acuerdo con un protocolo de datos con base en paquetes diferente del primer formato de datos;

en donde el primer sensor (202) de posición está conectado a la primera unidad (195) de comunicaciones mediante un enlace de datos físicos que está ubicado proximalmente a las juntas giratorias primera y segunda y corre dentro de una pared exterior del primer miembro (310) para pasar datos que representan la posición detectada sobre la primera junta a la primera unidad (195) de comunicaciones para la codificación y el primer sensor (191) de par de torsión se conecta a la segunda unidad (250) de comunicaciones mediante un enlace de datos físicos que se encuentra distalmente de la primera junta giratoria y discurre dentro de una pared exterior del segundo miembro (311) para pasar datos que representan el par de torsión detectado sobre la primera junta a la segunda unidad (250) de comunicaciones para su codificación.

2. Un brazo robótico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el segundo sensor (212) de posición está conectado mediante un enlace de datos físicos que corre dentro de una pared exterior del segundo miembro (311) a la segunda unidad (250) de comunicaciones para pasar datos que representan posición detectada sobre la segunda junta a la segunda unidad (250) de comunicaciones para la codificación.

3. Un brazo robótico de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde el segundo sensor (150) de par de torsión está conectado mediante un enlace de datos físicos que corre dentro de una pared exterior del segundo miembro (311) a la segunda unidad (250) de comunicaciones para pasar datos que representan el par de torsión detectado sobre la segunda junta a la segunda unidad (250) de comunicaciones para su codificación.

4. Un brazo robótico de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde el segundo sensor (150) de par de torsión está conectado mediante un enlace de datos físicos que corre dentro de una pared exterior del primer miembro (310) a la primera unidad (195) de comunicación para pasar datos que representan el par de torsión detectado sobre la segunda junta a la primera unidad (195) de comunicaciones para la codificación.

5. Un brazo robótico de acuerdo con la reivindicación 1, 3 o 4, en donde el segundo sensor (212) de posición está conectado mediante un enlace de datos físicos que corre dentro de una pared exterior del primer miembro (310) a la primera unidad (195) de comunicaciones para pasar datos que representan datos de posición detectados sobre la segunda junta a la primera unidad (195) de comunicaciones para la codificación.

6. Un brazo robótico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde él o cada enlace de datos físicos es un cable eléctrico.

7. Un brazo robótico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde cada unidad (195, 250) de comunicaciones es capaz de almacenar datos recibidos de sensores de posición y/o par de torsión y posteriormente transmitir esos datos a la unidad (10) de control.

8. Un brazo robótico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la segunda unidad (250) de comunicaciones está conectada a la unidad (10) de control a través de la primera unidad (195) de comunicaciones.

9. Un brazo robótico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el primer miembro (310) comprende motores para accionar el movimiento alrededor de la primera y la segunda juntas, y los motores están conectados mediante enlaces de datos físicos a la primera unidad (195) de comunicaciones para recibir señales de comando de ella.

10. Un brazo robótico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los ejes primero (102) y segundo (103) son transversales entre sí.

11. Un brazo robótico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los ejes primero (102) y segundo (103) se cruzan entre sí.

12. Un brazo robótico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las juntas primera y segunda son parte de una muñeca (5) del robot.

13. Un brazo robótico que comprende un primer miembro (501) y un segundo miembro (502) distal del primer miembro y acoplado al primer miembro por una sola junta (503) giratoria para articular el primer (501) y el segundo (502) miembros entre sí alrededor de un eje (504) de rotación; comprendiendo el brazo:

un sensor (514) de par de torsión para detectar el par de torsión sobre la junta (503);

una unidad (10) de control para controlar el funcionamiento del brazo robótico;

una primera unidad (510) de comunicaciones soportada por el segundo miembro (502) y ubicada distalmente de la junta (503) giratoria, siendo capaz la unidad (510) de comunicaciones de codificar los datos recibidos del sensor (514) de par de torsión en un primer formato de datos en paquetes de datos y transmitir esos paquetes de datos a la unidad (10) de control de acuerdo con un protocolo de datos con base en paquetes diferente del primer formato de datos;

un sensor (512) de posición rotacional para detectar la configuración del brazo alrededor del eje (504) de rotación; y

una segunda unidad (509) de comunicaciones soportada por el primer miembro (501) y ubicada proximalmente a la junta (503) giratoria, siendo capaz la segunda unidad (509) de comunicaciones de codificar los datos recibidos del sensor (512) de posición en un primer formato de datos en paquetes de datos y transmitir esos paquetes de datos a la unidad (10) de control de acuerdo con un protocolo de datos con base en paquetes diferente del primer formato de datos;

en donde el sensor (514) de par de torsión está conectado a la primera unidad (510) de comunicaciones mediante un enlace (518) de datos físicos que está ubicado distalmente a la junta giratoria y corre a lo largo del segundo miembro (502) para pasar datos que representan el par de torsión detectado sobre la junta (503) a la primera unidad (510) de comunicaciones para codificar y el sensor (512) de posición rotacional está conectado a la segunda unidad (509) de comunicaciones por un enlace (515) de datos físicos que está ubicado proximalmente a la junta giratoria y corre a lo largo del primer miembro (501) para pasar datos que representan la configuración del brazo alrededor del eje (504) de rotación a la segunda unidad (509) de comunicaciones para su codificación.