IT201800002407A1 - Sensore di contatto, particolarmente per piede di robot. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Sensore di contatto, particolarmente per piede di robot"

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un sensore di contatto, destinato in particolare a essere utilizzato su un robot provvisto di gambe per rilevare il contatto fra il piede di ciascuna gamba del robot con il terreno.

E' noto l'utilizzo nei robot provvisti di gambe, quali robot antropomorfi o robot quadrupedi, di sensori di contatto atti a rilevare il contatto di ciascun piede del robot con il terreno. Ad esempio, i robot antropomorfi utilizzano generalmente sensori di forza a sei assi posizionati nella caviglia di ciascuna gamba per misurare le forze di reazione generate dal terreno e permettere in tal modo di determinare lo stato di contatto fra piede e terreno tramite confronto fra il valore di forza normale (cioè ortogonale al terreno) misurata dal sensore e un dato valore di soglia. E' altresì noto l'uso di sensori di forza a più assi nei piedi di robot quadrupedi. Tali sensori di forza (o di coppia) sono tipicamente basati sull'uso di estensimetri e sono pertanto molto costosi. Inoltre, sensori di forza (o di coppia) basati sull'uso di estensimetri sono molto delicati, e quindi suscettibili di essere danneggiati o di perdere precisione in seguito a forti impatti, che sono molto frequenti in un robot quadrupede che cammina o trotta. E' dunque problematico l'uso di questo tipo di sensori su robot destinati a muoversi su terreni accidentati, a maggior ragione se tali robot devono anche essere in grado di saltare.

US 2003/0213623 A1 divulga un sensore di contatto destinato a essere utilizzato su un sedile di veicolo per determinare il peso e la posizione di un occupante del sedile. Il sensore comprende fondamentalmente un elemento di contatto, un organo di trasmissione allungato rigidamente connesso all'elemento di contatto, un dispositivo di accoppiamento a sfera avente una prima parte, rigidamente connessa all'organo di trasmissione, presentante una sede conica e una seconda parte, realizzata come sfera, parzialmente accolta in tale sede, un disco elastico presentante un'ulteriore sede conica in cui è parzialmente accolta la sfera, e un estensimetro atto a rilevare il carico esercitato sul disco elastico tramite l'elemento di contatto, l'organo di trasmissione e il dispositivo di accoppiamento a sfera.

Tale sensore di contatto noto è configurato per rilevare solo carichi assiali, ovvero carichi trasmessi all'elemento di contatto nella direzione dell'asse dell'albero di trasmissione, disaccoppiando i carichi radiali (non desiderati) dai carichi assiali (desiderati).

Scopo della presente invenzione è fornire un sensore di contatto che abbia un'elevata precisione, che sia semplice ed economico da realizzare, e che permetta di rilevare non solo i carichi assiali ma anche i carichi non assiali.

Questo e altri scopi sono pienamente raggiunti secondo la presente invenzione grazie a un sensore di contatto avente le caratteristiche definite nell'annessa rivendicazione indipendente 1.

Forme di realizzazione vantaggiose della presente invenzione formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto è da intendersi come parte integrale e integrante della descrizione che segue.

Le caratteristiche e i vantaggi della presente invenzione risulteranno chiaramente dalla descrizione dettagliata che segue, data a puro titolo di esempio non limitativo con riferimento ai disegni allegati, in cui:

la figura 1 è una vista in sezione assiale di un sensore di contatto secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

le figure 2 e 3 sono rispettivamente una vista prospettiva e una vista in elevazione frontale dell'elemento di supporto elastico del sensore di contatto di figura 1;

la figura 4 mostra in scala ingrandita il dettaglio A di figura 1; e

la figura 5 è una vista prospettica dell'organo di trasmissione del sensore di contatto di figura 1.

La descrizione di seguito fornita si riferisce al caso di utilizzo di un sensore di contatto in un piede di robot, ma è chiaro che l'invenzione non è affatto da intendersi come limitata a questa specifica applicazione.

Con riferimento inizialmente alla figura 1, un piede di robot è indicato con 10 ed è montato all'estremità inferiore di un elemento tubolare 12 facente parte della struttura di una gamba del robot. L'asse longitudinale dell'elemento tubolare 12 è indicato con x. La direzione dell'asse x sarà di qui in avanti indicata come direzione assiale o longitudinale.

Il piede 10 è provvisto di un sensore di contatto, complessivamente indicato con 14, atto a rilevare una condizione di contatto del piede 10 con il terreno.

Il sensore di contatto 14 (di qui in avanti semplicemente indicato come sensore) comprende innanzitutto un elemento di supporto 16, fatto preferibilmente di materiale metallico. L'elemento di supporto 16 è montato all'estremità inferiore dell'elemento tubolare 12. All'elemento di supporto 16 è rigidamente connesso il piede 10, ad esempio mediante accoppiamento filettato.

Come mostrato nelle figure 2 e 3, l'elemento di supporto 16 comprende una prima porzione 16a a forma di disco, che si estende in un piano perpendicolare all'asse longitudinale x, e una seconda porzione (porzione inferiore) 16b di forma cilindrica, che si estende lungo l'asse longitudinale x e cui è accoppiato, ad esempio mediante accoppiamento filettato, il piede 10. La prima porzione 16a presenta preferibilmente una o più fenditure, opportunamente conformate (ad esempio, con una forma a spirale) e posizionate in modo da conferire una certa cedevolezza elastica a tale porzione dell'elemento di supporto 16, in particolare in direzione assiale. Nell'esempio di realizzazione qui proposto, la prima porzione 16a presenta tre fenditure a forma di spirale, rispettivamente indicate con 181, 182 e 183.

Come mostrato nella figura 4, una superficie di battuta anulare 10a del piede 10 insiste contro la faccia inferiore della prima porzione 16a dell'elemento di supporto 16.

L'elemento di supporto 16 comprende inoltre una pluralità di sporgenze radiali che sporgono radialmente dal bordo esterno della prima porzione 16a di tale elemento. Preferibilmente, come nell'esempio di realizzazione qui proposto, l'elemento di supporto 16 comprende tre sporgenze radiali, rispettivamente indicate con 201, 202 e 203, disposte a 120° l'una rispetto all'altra. Per i motivi che saranno spiegati in dettaglio più avanti, le sporgenze radiali 201, 202 e 203 sono leggermente più spesse rispetto alla prima porzione 16a dell'elemento di supporto 16, cioè hanno una dimensione in direzione assiale maggiore di quella della prima porzione 16a, da entrambi i lati (superiore e inferiore) della prima porzione 16a. Ad esempio, ciascuna sporgenza radiale 201, 202 e 203 può sporgere di circa 0.1 mm, sia verso l'alto sia verso il basso, rispetto alla prima porzione 16a.

L'elemento di supporto 16 comprende inoltre, da parte assialmente opposta alla seconda porzione 16b rispetto alla prima porzione 16a, una terza porzione 16c, di forma cilindrica, che nella condizione di montaggio del sensore di contatto 14 sul piede 10 si estende quindi verso l'alto rispetto alla prima porzione 16a.

Preferibilmente, la prima porzione 16a, con le rispettive sporgenze radiali 201, 202 e 203, la seconda porzione 16b e la terza porzione 16c dell'elemento di supporto 16 sono formate in un pezzo unico.

Il sensore di contatto 14 comprende inoltre un interruttore elettronico 22, preferibilmente di tipo monoassiale, che nella condizione di montaggio del sensore 14 sul piede 10 di un robot è accolto all'interno dell'elemento tubolare 12.

Più specificamente, nella forma di realizzazione mostrata nelle figure, l'interruttore 22 è accolto, almeno parzialmente, in un manicotto 24 ed è a questo rigidamente connesso, ad esempio mediante viti 26. Il collegamento fra l'interruttore 22 e il manicotto 24 mediante le viti 26 offre il vantaggio di consentire di regolare la posizione assiale relativa fra interruttore e manicotto.

A sua volta, il manicotto 24 è accolto nell'elemento tubolare 12 ed è ad esso vincolato tramite una ghiera 28 avvitata all'estremità inferiore dell'elemento tubolare 12. Nella condizione assemblata, come mostrato in dettaglio nella figura 4, la ghiera 28 serra la prima porzione 16a dell'elemento di supporto 16 e una flangia 24a del manicotto 24 contro la faccia inferiore (indicata con 12a) dell'elemento tubolare 12, esercitando quindi sulla prima porzione 16a e sulla flangia 24a una forza di bloccaggio assiale.

L'interruttore 22 è provvisto inferiormente, cioè dal lato rivolto verso il piede 10 e verso l'elemento di supporto 16, di una sonda 30 avente una superficie di accoppiamento 30a di forma sferica. All'interruttore 22 è collegato un filo elettrico 32 che si estende all'interno dell'elemento tubolare 12.

L'interruttore 22 è configurato per generare un segnale contatto quando lo spostamento della sonda 30 supera un determinato valore di soglia. L'interruttore 22 può essere ad esempio un interruttore di contatto o anche un interruttore di prossimità atto a misurare la variazione di capacità conseguente allo spostamento della sonda.

Il sensore di contatto 14 comprende inoltre un organo di trasmissione 34 che si estende lungo la direzione assiale x ed è assialmente interposto fra l'elemento di supporto 16 e l'interruttore 22, in modo da trasmettere all'interruttore 22, o meglio alla sonda 30 dello stesso, i piccoli movimenti (dell'ordine ad esempio del decimo di millimetro) dovuti alle deformazioni elastiche della prima porzione 16a dell'elemento di supporto 16 quando sul piede 10 agisce una forza generata dal contatto del piede con il terreno.

L'organo di trasmissione 34 è rigidamente connesso alla sua estremità inferiore all'elemento di supporto 16, in particolare alla terza porzione 16c di tale elemento. Alla sua estremità superiore (cioè all'estremità assialmente rivolta verso l'interruttore 22), l'organo di trasmissione 34 presenta una superficie di accoppiamento 34a conica, con cui coopera la superficie di accoppiamento 30a sferica della sonda 30.

Un tale tipo di accoppiamento fra interruttore 22 e organo di trasmissione 34 permette di convertire le deformazioni in più direzioni della prima porzione 16a dell'elemento di supporto 16, dovute al fatto che la forza di contatto agente sul piede 10 non è necessariamente diretta lungo la direzione assiale x, ma può avere una componente non assiale, in uno spostamento assiale della sonda 30. E' così possibile rilevare forze di contatto agenti sul piede 10 in più direzioni, non necessariamente lungo la sola direzione assiale, utilizzando un semplice interruttore monoassiale.

In particolare, l'organo di trasmissione 34 funge da "amplificatore" atto ad amplificare le deformazioni radiali che l'elemento di supporto 16 subisce in conseguenza delle forze di contatto agenti sul piede 10.

Infine, il sensore di contatto 14 comprende preferibilmente anche un organo di arresto 36 assialmente interposto fra la prima porzione 16a dell'elemento di supporto 16 e il manicotto 24 per limitare il movimento assiale della prima porzione 16 dell'elemento di supporto 16 e dunque impedire un'eccessiva deformazione di tale porzione. In tal modo, quando sul piede 10 viene esercitata una forza eccessiva la prima porzione 16a dell'elemento di supporto 16 va in battuta contro l'organo di arresto 36 e a quel punto non può più deformarsi ulteriormente.

L'assemblaggio del sensore di contatto 14 avviene montando nell'ordine, all'estremità inferiore dell'elemento tubolare, i vari componenti del sensore stesso, e precisamente l'interruttore 22 con il relativo manicotto 24, l'organo di trasmissione 34, l'organo di arresto 36 (che può essere eventualmente premontato sul manicotto 24), l'elemento di supporto 16 e la ghiera 28, e quindi avvitando la ghiera 28 all'estremità inferiore dell'elemento tubolare 12 in modo da bloccare in posizione i vari componenti sopra menzionati. Infine, il piede 10 viene rigidamente connesso all'elemento di supporto 16, in particolare alla seconda porzione 16b di quest'ultimo.

Come detto più sopra, le sporgenze radiali 201, 202 e 203 dell'elemento di supporto 16 hanno uno spessore maggiore rispetto alla prima porzione 16a di tale elemento (ad esempio di 0.1 mm sia superiormente sia inferiormente), di modo che è previsto un certo gioco assiale (ad esempio pari a 0.1 mm) sia superiormente, fra la prima porzione 16a dell'elemento di supporto 16 e l'organo di arresto 36, sia inferiormente, fra la prima porzione 16a dell'elemento di supporto 16 e la ghiera 28. Tale gioco assiale permette alla prima porzione 16a dell'elemento di supporto 16 di deformarsi elasticamente per effetto della forza di contatto trasmessa dal terreno al piede 10 e quindi dal piede 10 all'elemento di supporto 16.

Inoltre, è previsto un piccolo gioco radiale (ad esempio pari a 0.1 mm) fra l'organo di trasmissione 34 e la superficie cilindrica interna del manicotto 24 in modo da limitare la deformazione angolare della prima porzione 16a dell'elemento di supporto 16 (conseguente all'applicazione sul piede 10, e quindi sull'elemento di supporto 16, di forze aventi componenti non assiali), e dunque evitare il rischio di danneggiamenti della prima porzione 16a dell'elemento di supporto 16 dovuti a eccessive deformazioni.

Il funzionamento del sensore di contatto 14 secondo l'invenzione è dunque il seguente.

Quando il piede 10 viene a contatto con il terreno, la forza di contatto esercitata dal terreno sul piede 10 viene trasmessa dal piede 10 all'elemento di supporto 16 e provoca la deformazione elastica della prima porzione 16a di tale elemento. La direzione e l'entità di tale deformazione dipenderanno dalla direzione e dall'intensità della forza di contatto. La prima porzione 16a è configurata per deformarsi anche per effetto di forze di contatto non puramente assiali, ma aventi anche componenti non assiali. La deformazione della prima porzione 16a dell'elemento di supporto 16 viene trasmessa dall'organo di trasmissione 34 alla sonda 30, provocando, grazie all'impegno fra la superficie di accoppiamento 30a della sonda 30 e la superficie di accoppiamento 34a dell'organo di trasmissione 34, uno spostamento assiale verso l'alto della sonda 30. Tale spostamento, se di entità sufficiente, determinerà l'attivazione dell'interruttore 22 e quindi la generazione di un segnale elettrico di contatto.

Alla luce della descrizione sopra fornita, risultano evidenti i vantaggi conseguibili con un sensore di contatto secondo la presente invenzione.

Innanzitutto, il sensore di contatto secondo l'invenzione comprende pochi pezzi, che sono realizzabili in modo molto semplice ed economico, e dunque risulta molto più semplice e meno costoso di un tipico sensore di contatto utilizzante estensimetri.

Inoltre, come interruttore elettronico può essere utilizzato un semplice interruttore di contatto o di prossimità, che non richiede un'elettronica di elaborazione del segnale particolarmente complessa.

Il sensore presenta inoltre i tempi di risposta particolarmente brevi, grazie all'entità molto ridotta delle deformazioni elastiche (e all'elevata rigidezza) della porzione elasticamente deformabile dell'elemento di supporto, nonché grazie alla ridotta massa (e dunque inerzia) delle parti mobili del sensore. Il fatto che la deformabilità sia ottenuta grazie alla rigidezza e alla forma dell'elemento di supporto stesso, e non tramite l'aggiunta di un componente separato (quale ad esempio una molla), permette di mantenere ridotti gli effetti di isteresi.

Inoltre, tutti i componenti del sensore possono essere montati all'interno di un elemento tubolare, ad esempio l'elemento tubolare formante la struttura di gamba nel caso di utilizzo del sensore di contatto per rilevare il contatto di un piede di robot con il terreno, ed essere così protetti di dall'ambiente esterno. Il sensore può quindi essere utilizzato anche in ambienti particolarmente ostili.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di attuazione e i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto e illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza con ciò fuoriuscire dall'ambito dell'invenzione come definito nelle annesse rivendicazioni.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sensore di contatto (14) comprendente: un elemento di contatto (10) destinato a ricevere una forza di contatto, in particolare in caso di contatto con il terreno; un interruttore (22) comprendente una sonda (30) atta a subire uno spostamento lungo una data direzione (x) a seguito dell'applicazione di una forza sull'elemento di contatto (10), detto interruttore (22) essendo configurato per generare un segnale di contatto in caso di spostamento della sonda (30) lungo detta direzione (x) superiore a un dato valore di soglia; un elemento di supporto (16) cui è rigidamente connesso l'elemento di contatto (10), detto elemento di supporto (16) comprendendo una prima porzione (16a) configurata per deformarsi elasticamente a seguito dell'applicazione di una forza sull'elemento di contatto (10); e un organo di trasmissione (34) rigidamente connesso all'elemento di supporto (16) ed estendentesi lungo detta direzione (x) fra l'elemento di supporto (16) e la sonda (30) dell'interruttore (22) per trasmettere alla sonda (30) uno spostamento in conseguenza della deformazione elastica di detta prima porzione (16a) dell'elemento di supporto (16); in cui la sonda (30) e l'organo di trasmissione (34) presentano rispettive superfici di accoppiamento (30a, 34a) cooperanti l'una con l'altra.
2. 2. Sensore di contatto secondo la rivendicazione 1, in cui una (30a) di dette superfici di accoppiamento (30a, 34a) è di forma sferica, mentre l'altra (34a) è di forma conica.
3. 3. Sensore di contatto secondo la rivendicazione 2, in cui la superficie di accoppiamento (30a) di forma sferica è formata dalla sonda (30), mentre la superficie di accoppiamento (34a) di forma conica è formata dall'organo di trasmissione (34).
4. 4. Sensore di contatto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta prima porzione (16a) dell'elemento di supporto (16) è una porzione a forma di disco estendentesi in un piano perpendicolare a detta direzione (x).
5. 5. Sensore di contatto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta prima porzione (16a) dell'elemento di supporto (16) presenta una pluralità di fenditure (181, 182, 183) opportunamente disposte e conformate per conferire a detta prima porzione (16a) desiderate caratteristiche di cedevolezza elastica.
6. 6. Sensore di contatto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un manicotto (24) che si estende lungo detta direzione (x) e in cui sono accolti la sonda (30) dell'interruttore (22) e l'organo di trasmissione (34).
7. 7. Sensore di contatto secondo la rivendicazione 6, in cui l'interruttore (22) è rigidamente connesso al manicotto (24) tramite mezzi di collegamento (26) atti a consentire una regolazione della posizione relativa fra interruttore (22) e manicotto (24) lungo detta direzione (x).
8. 8. Sensore di contatto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'elemento di supporto (16) comprende una seconda porzione (16b) che si estende lungo detta direzione (x) da detta prima porzione (16a) verso l'elemento di contatto (10), l'elemento di contatto (10) essendo rigidamente connesso all'elemento di supporto (16) in corrispondenza di detta seconda porzione (16b).
9. 9. Sensore di contatto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'interruttore (22) è un interruttore di contatto o un interruttore di prossimità.
10. 10. Gamba di robot comprendente un piede (10), un elemento tubolare (12) e un sensore di contatto (14) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto piede (10) forma l'elemento di contatto del sensore di contatto (14).