ITFI20130101A1 - DEVICE FOR AUTONOMOUS AND NON-DESTRUCTIVE ENVIRONMENTAL PENETRATION - Google Patents
DEVICE FOR AUTONOMOUS AND NON-DESTRUCTIVE ENVIRONMENTAL PENETRATIONInfo
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Description
DISPOSITIVO PER LA PENETRAZIONE AUTONOMA E NON DISTRUTTIVA DI DEVICE FOR THE AUTONOMOUS AND NON-DESTRUCTIVE PENETRATION OF
AMBIENTI ENVIRONMENTS
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione riguarda il settore dei dispositivi robotici per la penetrazione autonoma e non distruttiva e il movimento all'interno di ambienti strutturati ma soprattutto non strutturati quali suolo, detriti, tessuti organici ecc.. Più in particolare essa ha ad oggetto un dispositivo di penetrazione a cingolo tridimensionale continuo atto ad essere utilizzato per obiettivi di esplorazione, monitoraggio, diagnostica. The present invention relates to the field of robotic devices for autonomous and non-destructive penetration and movement within structured but above all unstructured environments such as soil, debris, organic tissues, etc. More specifically, it relates to a penetration device continuous three-dimensional track suitable to be used for exploration, monitoring, diagnostic purposes.
Perforazione ed escavazione a mezzo di appropriati meccanismi sono le tecniche tradizionali per accedere al sottosuolo per differenti applicazioni (ricerca d'acqua e combustibili fossili, studi geologici ecc.) e con differenti obiettivi (raccolta o deposizione di materiali, semplice apertura di un passaggio verso la superficie). Numerose tecniche meccaniche sono a tali scopi utilizzate: spinta quasi statica, rotazione, percussione, vibrazione, e combinazioni tra queste tecniche. Sono state prospettate o previste anche tecniche di natura non meccanica quali sistemi termici (ad esempio nel caso di penetrazione nel ghiaccio), a onde sonore o ultrasuoni o laser. Si tratta tuttavia di sistemi che almeno parzialmente alterano o addirittura distruggono il substrato e possono richiedere un consumo di energia problematico. Drilling and excavation by means of appropriate mechanisms are the traditional techniques to access the subsoil for different applications (research of water and fossil fuels, geological studies, etc.) and with different objectives (collection or deposition of materials, simple opening of a passage towards the surface). Numerous mechanical techniques are used for these purposes: quasi-static thrust, rotation, percussion, vibration, and combinations of these techniques. Techniques of a non-mechanical nature have also been proposed or envisaged, such as thermal systems (for example in the case of penetration into ice), sound waves or ultrasounds or lasers. However, these are systems that at least partially alter or even destroy the substrate and may require problematic energy consumption.
Rimanendo, per quanto qui di interesse, nell'ambito di soluzioni meccaniche, il dotare di sistemi di penetrazione/perforazione dispositivi robotici può evidentemente consentire esplorazioni automatiche del sottosuolo (o comunque sub-superficiali), con impieghi di evidente profitto in aree inaccessibili, e tenendo conto di ciò la ricerca si à ̈ concentrata sugli obiettivi di maggiore efficienza dei metodi di escavazione e campionatura e sulla riduzione dimensionale del dispositivo. Le tecniche di penetrazione convenzionali necessitano tuttavia di elevate spinte assiali (cioà ̈ lungo l'asse di penetrazione), fornite dal peso stesso del dispositivo, e per questa ragione le masse non possono essere ridotte oltre un certo limite, anzi devono talvolta essere previste masse aggiuntive o altri sistemi di ancoraggio ove la massa intrinseca non risulti sufficiente. Remaining, as far as is of interest here, in the field of mechanical solutions, the equipping of penetration / drilling systems with robotic devices can obviously allow automatic exploration of the subsoil (or in any case sub-surface), with evidently profitable uses in inaccessible areas, and taking this into account, the research focused on the objectives of greater efficiency of the excavation and sampling methods and on the size reduction of the device. However, conventional penetration techniques require high axial thrusts (i.e. along the axis of penetration), provided by the weight of the device itself, and for this reason the masses cannot be reduced beyond a certain limit, indeed masses must sometimes be provided additional or other anchoring systems where the intrinsic mass is not sufficient.
Per superare tale situazione sono stati proposti sistemi in cui un ancoraggio al substrato da perforare fornisce la forza assiale di penetrazione, in particolare ove la forza di gravità sia ridotta. Un sistema robotico di perforazione proposto in (Liu Y. et al., "Mechanical Design and Modelling of a Robotic Planetary Drilling System," In Proc. of IDETC/CIE 2005 ASME 2006 Int. Design Eng. Tech. Conf. & Comp. and Inf. in Eng. Con., Philadelphia, 2005) e il robot biomimetico ispirato a un verme in (Kubota et al., "Earth-worm typed Drilling robot for subsurface planetary exploration," IEEE Int. Conf. on Robotics and Biomimetic (ROBIO), Sanya, 2007, pp. 1394-1399) lavorano come dispositivi “arrampicatori†provvisti di un modulo di perforazione in punta. Dopo aver realizzato un inizio di galleria, si attaccano alle pareti della stessa per ricavarne la forza assiale necessaria alla perforazione e all'avanzamento. Vari sistemi di adesione (tra dispositivo e pareti della galleria) possono offrire una risposta soddisfacente, tra cui l'uso di “dita†provviste di spine come in Parness A., "Anchoring foot mechanisms for sampling and mobility in microgravity," IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation (ICRA), Shanghai, 2011, pp.6596-6599. To overcome this situation, systems have been proposed in which an anchorage to the substrate to be perforated provides the axial force of penetration, in particular where the force of gravity is reduced. A robotic drilling system proposed in (Liu Y. et al., "Mechanical Design and Modeling of a Robotic Planetary Drilling System," In Proc. Of IDETC / CIE 2005 ASME 2006 Int. Design Eng. Tech. Conf. & Comp. and Inf. in Eng. Con., Philadelphia, 2005) and the biomimetic robot inspired by a worm in (Kubota et al., "Earth-worm typed Drilling robot for subsurface planetary exploration," IEEE Int. Conf. on Robotics and Biomimetic (ROBIO), Sanya, 2007, pp. 1394-1399) work as â € œclimbersâ € devices equipped with a perforation module at the tip. After having made a beginning of the tunnel, they are attached to the walls of the same to obtain the axial force necessary for drilling and advancing. Various adhesion systems (between device and tunnel walls) can offer a satisfactory response, including the use of spiked â € œfingersâ € as in Parness A., "Anchoring foot mechanisms for sampling and mobility in microgravity," IEEE Int. Conf. On Robotics and Automation (ICRA), Shanghai, 2011, pp. 6596-6599.
Nell'affrontare le problematiche poste dalla ridotta gravità , sono anche stati proposti robot bioispirati in cui grazie a particolari caratteristiche geometriche l'interazione tra il meccanismo di penetrazione e il mezzo in cui avviene la penetrazione stessa impedisce un movimento all'indietro e fornisce un ancoraggio appropriato. Un esempio del genere, ispirato alla tecnica di perforazione dell'organo ovopositore di certi imenotteri, à ̈ descritto in Gao Y. et al., "Deployable wood wasp drill for planetary subsurface sampling," IEEE Aerospace Conf., Big Sky, 2005, p.8. In addressing the problems posed by reduced gravity, bio-inspired robots have also been proposed in which, thanks to particular geometric characteristics, the interaction between the penetration mechanism and the medium in which the penetration occurs prevents backward movement and provides an anchor. appropriate. An example of this kind, inspired by the technique of drilling the ovipositor organ of certain hymenoptera, is described in Gao Y. et al., "Deployable wood wasp drill for planetary subsurface sampling," IEEE Aerospace Conf., Big Sky, 2005, p.8.
Tra i sistemi di adesione già proposti figurano sistemi a cingolo continuo o ruote cingolate, come ad esempio in dispositivi per risalire ed esplorare l'interno di condutture (Kim J. H . et al. "FAMPER: A fully autonomous mobile robot for pipeline exploration," IEEE Int. Conf. on Industrial Technology (ICIT), Vina del Mar, 2010, pp. Adhesion systems already proposed include continuous track systems or tracked wheels, such as for example in devices for ascending and exploring the interior of pipelines (Kim J. H. Et al. "FAMPER: A fully autonomous mobile robot for pipeline exploration , "IEEE Int. Conf. On Industrial Technology (ICIT), Vina del Mar, 2010, pp.
517-523.) o dispositivi di salvataggio. Tra questi ultimi, figurano ad esempio robot a serpente quale quello in Borenstein J. Et al., "The OmniTread OT-4 Serpentine Robot for Emergencies and Hazardous Environments," International Joint Topical Meeting: “Sharing Solutions for Emergencies and Hazardous Environments,†February 12-15, 2006, pp. 1-8. Tale tipologia di robot prevede sistemi a cingolo di sviluppo complessivamente tridimensionale, e in particolare cilindrico, ottenuto tuttavia per somma e combinazione di una pluralità di cingoli, ciascuno singolo e sostanzialmente lineare. 517-523.) Or life-saving devices. The latter include, for example, snake robots such as that in Borenstein J. Et al., "The OmniTread OT-4 Serpentine Robot for Emergencies and Hazardous Environments," International Joint Topical Meeting: â € œSharing Solutions for Emergencies and Hazardous Environments, â € February 12-15, 2006, pp. 1-8. This type of robot provides crawler systems with an overall three-dimensional development, and in particular cylindrical, obtained however by adding and combining a plurality of tracks, each single and substantially linear.
Evidentemente, e più in generale, à ̈ possibile dotare un monocingolo di direzionalità per effetto di una deformabilità o flessibilità interna (come ad esempio in US2009/0025988) oppure secondo la tradizionale tecnica dei mezzi di locomozione cingolati, à ̈ anche prospettabile di dotare il robot di un doppio cingolo (si veda ad esempio il robot in US2004/0216932), per cui variando la velocità di ciascun cingolo à ̈ possibile variare la direzione del moto. In questo modo si consegue una maggiore manovrabilità in ambienti non strutturati e capacità di aggirare ostacoli. Obviously, and more generally, it is possible to equip a single track with directionality due to internal deformability or flexibility (as for example in US2009 / 0025988) or according to the traditional technique of tracked means of locomotion, it is also possible to provide the robot of a double track (see for example the robot in US2004 / 0216932), so by varying the speed of each track it is possible to vary the direction of motion. In this way, greater maneuverability is achieved in unstructured environments and the ability to circumvent obstacles.
Il limite di tutta questa tipologia di dispositivi risiede fondamentalmente in due aspetti. In primo luogo, essi hanno una struttura aperta che rende problematica la penetrazione in substrati granulari, in quanto le particelle granulari vanno a interferire con le parti in reciproco movimento, appunto accessibili dall'esterno, provocando malfunzionamenti o inceppamenti. In secondo luogo, il movimento relativo tra dispositivo e ambiente da penetrare riduce l'efficienza della penetrazione e altera il substrato. The limit of all this type of device basically lies in two aspects. First of all, they have an open structure that makes penetration into granular substrates problematic, as the granular particles interfere with the reciprocally moving parts, accessible from the outside, causing malfunctions or jams. Second, the relative movement between the device and the environment to be penetrated reduces the efficiency of the penetration and alters the substrate.
L'utilizzo di mezzi di guarnizione può affrontare il primo aspetto, ma con complicazioni strutturali e introducendo comunque problematiche di affidabilità . Ed in ogni caso la combinazione di componenti mobili (i cingoli) e componenti fisse (le guarnizioni) comporta due differenti comportamenti dinamici in termini di velocità relativa rispetto al suolo o comunque alle particelle del mezzo o substrato da penetrare. In particolare, durante la penetrazione la velocità relativa sul cingolo à ̈, o dovrebbe idealmente essere, nulla, mentre le componenti fisse del sistema di guarnizione si muovono a contatto con le particelle esterne alla stessa velocità di penetrazione, con gli inevitabili e indesiderati attriti che vanno a ostacolare la penetrazione stessa. Dunque, le parti di dispositivo non coperte da cingoli sono a contatto con l’ambiente da penetrare e si muovono rispetto ad esso (contrariamente al cingolo, che rimane invece solidale all’ambiente). Di conseguenza in queste aree viene a mancare l’effetto propulsivo del cingolo. Inoltre, l’attrito causa dissipazione di energia e diminuisce l’efficienza di penetrazione. The use of sealing means can tackle the first aspect, but with structural complications and however introducing problems of reliability. And in any case the combination of moving components (the tracks) and fixed components (the seals) involves two different dynamic behaviors in terms of relative speed with respect to the ground or in any case to the particles of the medium or substrate to be penetrated. In particular, during penetration the relative speed on the track is, or should ideally be, zero, while the fixed components of the sealing system move in contact with the external particles at the same penetration speed, with the inevitable and unwanted friction that they hinder the penetration itself. Therefore, the parts of the device not covered by tracks are in contact with the environment to be penetrated and move with respect to it (unlike the track, which remains integral with the environment). Consequently, the propulsive effect of the track is lacking in these areas. Furthermore, friction causes energy dissipation and decreases penetration efficiency.
Sono state infine già oggetto di studio i meccanismi di penetrazione delle radici delle piante, allo scopo di ricavarne informazioni utili allo sviluppo di dispositivi robotici (Bar-Cohen Y. et al., Drilling in Extreme Environments: Penetration and Sampling on Earth and other Planets. Wheinheim: WILEY-VCH Verlag CmbM & Co. KGaA, 2009; Mazzolai et al., “A Miniaturized Mechatronic System Inspired by Plant Roots for Soil Exploration†, Trans. on Mechatronics, IEEE/ASME, vol.16, no.2, pp.201 – 212, 2011). Finally, the mechanisms of penetration of plant roots have already been studied, in order to obtain useful information for the development of robotic devices (Bar-Cohen Y. et al., Drilling in Extreme Environments: Penetration and Sampling on Earth and other Planets . Wheinheim: WILEY-VCH Verlag CmbM & Co. KGaA, 2009; Mazzolai et al.,  € œA Miniaturized Mechatronic System Inspired by Plant Roots for Soil Explorationâ €, Trans. On Mechatronics, IEEE / ASME, vol. 16, no. 2, pp. 201 - 212, 2011).
Considerato questo stato dell'arte, lo scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un dispositivo robotico autopenetrante il quale assommi requisiti di leggerezza e semplicità costruttiva utilizzando un sistema genericamente a cingolo continuo che assicuri un ancoraggio del tutto saldo con il suolo o altro generico substrato in cui avviene la penetrazione, con conseguente efficacia di quest'ultima, impedendo al contempo l'interferenza di particelle del substrato tra parti fisse e parti in moto relativo (alla velocità di penetrazione), sempre rispetto al substrato, e minimizzando gli attriti che si oppongono all'avanzamento. Considering this state of the art, the purpose of the present invention is to provide a self-penetrating robotic device which meets the requirements of lightness and construction simplicity using a generically continuous track system that ensures a completely firm anchorage with the ground or other generic substrate in which the penetration takes place, with consequent effectiveness of the latter, while preventing the interference of particles of the substrate between fixed parts and parts in relative motion (at the penetration speed), always with respect to the substrate, and minimizing the frictions that they oppose advancement.
Questo ed altri scopi vengono raggiunti dal dispositivo per la penetrazione autonoma e non distruttiva di ambienti secondo la presente invenzione, le cui caratteristiche essenziali sono definite nella prima delle rivendicazioni annesse. This and other objects are achieved by the device for the autonomous and non-destructive penetration of environments according to the present invention, the essential characteristics of which are defined in the first of the annexed claims.
Ulteriori importanti caratteristiche sono contenute nelle rivendicazioni dipendenti. Le caratteristiche e i vantaggi del dispositivo per la penetrazione autonoma e non distruttiva di ambienti secondo la presente invenzione risulteranno più chiaramente dalla descrizione che segue di sue forme realizzative fatta a titolo esemplificativo e non limitativo con riferimento ai disegni annessi in cui: Further important features are contained in the dependent claims. The characteristics and advantages of the device for the autonomous and non-destructive penetration of environments according to the present invention will become clearer from the following description of its embodiments made by way of non-limiting example with reference to the attached drawings in which:
- la figura 1 Ã ̈ una vista assonometrica schematica del dispositivo secondo l'invenzione in una prima forma realizzativa; Figure 1 is a schematic axonometric view of the device according to the invention in a first embodiment;
- la figura 2 Ã ̈ una vista in sezione assiale schematica del dispositivo di figura 1 all'atto di penetrare un ambiente non strutturato (suolo); - figure 2 is a schematic axial sectional view of the device of figure 1 when entering an unstructured environment (ground);
- le figure 3 e 4 sono rappresentazioni parziali in sezione assiale del dispositivo in due successive fasi di penetrazione, per chiarire meglio il concetto funzionale alla base dell'invenzione; e - Figures 3 and 4 are partial representations in axial section of the device in two successive phases of penetration, to better clarify the functional concept underlying the invention; And
- la figura 5 mostra schematicamente in vista assonometrica parzialmente spaccata una seconda forma realizzativa del dispositivo secondo l'invenzione. Figure 5 schematically shows a partially broken axonometric view of a second embodiment of the device according to the invention.
Con riferimento alle figure da 1 a 4, il dispositivo secondo l'invenzione comprende in una prima forma realizzativa un corpo tubolare rigido 1, allungato secondo un asse lineare retto X e di sezione trasversale preferibilmente (ma non necessariamente) circolare. Il corpo 1 presenta una prima estremità 1a, o estremità di punta in quanto corrispondente al fronte di avanzamento e penetrazione nel substrato, ed una seconda estremità 1b, o estremità di coda rispetto all'avanzamento. L'estremità di coda 1b à ̈ provvista di una staffa 3 che si estende radialmente e solidalmente dal corpo 1, e supporta un attuatore 4 di cui si dirà più avanti. Un canale assiale interno 2 del corpo tubolare 1 à ̈ definito da una superficie interna 1c, e si apre sull'estremità di punta 1a, mentre la superficie esterna à ̈ indicata con 1d. With reference to Figures 1 to 4, the device according to the invention comprises in a first embodiment a rigid tubular body 1, elongated along a straight linear axis X and preferably (but not necessarily) circular in cross section. The body 1 has a first end 1a, or tip end as it corresponds to the front of advancement and penetration into the substrate, and a second end 1b, or tail end with respect to the advancement. The tail end 1b is provided with a bracket 3 which extends radially and integrally from the body 1, and supports an actuator 4 which will be discussed later. An internal axial channel 2 of the tubular body 1 is defined by an internal surface 1c, and opens on the tip end 1a, while the external surface is indicated with 1d.
Al corpo 1 à ̈ associato un cingolo tridimensionale 5, nella forma di una calza in materiale tessile (o comunque con struttura non tessile ma comunque pieghevole e sostanzialmente inestensibile almeno nella direzione assiale X) configurato anch'esso in forma tubolare. Il materiale in cui à ̈ realizzato il cingolo 5 può essere ad esempio robusto tessuto di nylon o altra fibra in grado di assicurare caratteristiche di pieghevolezza e inestensibilità . Associated with the body 1 is a three-dimensional track 5, in the form of a sock made of textile material (or in any case with a non-textile structure but in any case foldable and substantially inextensible at least in the axial direction X) also configured in tubular form. The material in which the track 5 is made can be, for example, a sturdy nylon fabric or other fiber capable of ensuring characteristics of pliability and inextensibility.
Il cingolo tubolare, prendendo a riferimento una configurazione inattiva di partenza del dispositivo, à ̈ disposto in massima parte coassialmente all'interno del canale 2, a rivestire la superficie interna 1c e in assetto non disteso, cioà ̈ contratto e ripiegato su se stesso in modo da occupare una distanza assiale sensibilmente inferiore da quella teorica in assetto completamente esteso. Una estremità interna del cingolo 5, indicata con 5a, si trova dunque all'interno del corpo 1, spostata verso l'estremità di coda 1b. Il cingolo si estende tuttavia anche oltre l'estremità di punta 1a del corpo 1, e ripiegato sulla superficie esterna 1d va a rivestire una modesta parte di questa, fino ad una estremità esterna 5b che à ̈ unita solidalmente a un collare rigido 6 che a sua volta evolve anularmente attorno al corpo 1 ed à ̈ atto a scorrere assialmente senza significativo attrito lungo di esso. The tubular track, taking as reference an inactive starting configuration of the device, is arranged for the most part coaxially inside the channel 2, to cover the internal surface 1c and in a non-extended position, i.e. contracted and folded back on itself in so as to occupy a significantly lower axial distance than the theoretical one in fully extended position. An internal end of the track 5, indicated by 5a, is therefore inside the body 1, displaced towards the tail end 1b. However, the track also extends beyond the tip end 1a of the body 1, and folded on the external surface 1d covers a modest part of this, up to an external end 5b which is integrally joined to a rigid collar 6 which a in turn it evolves annularly around the body 1 and is able to slide axially without significant friction along it.
Dal collare 6 si diparte assialmente verso l'estremità di coda 1b e la staffa 3 un cavo 7 che afferisce al sopra menzionato attuatore 4. Più precisamente l'attuatore 4 prevede un motore 8 (e relativa batteria di alimentazione) che porta in rotazione una puleggia 9 attorno alla quale si avvolge il cavo 7, per cui la rotazione della puleggia mette in trazione il cavo, richiama verso l'altro l'estremità esterna 5b del cingolo 5 con il collare 6, e dunque causa la distensione e, per così dire, lo svolgimento del cingolo stesso dall'interno verso l'esterno del corpo 1. From the collar 6, axially towards the tail end 1b and the bracket 3, a cable 7 which attaches to the aforementioned actuator 4. More precisely, the actuator 4 provides a motor 8 (and relative supply battery) which rotates a pulley 9 around which the cable 7 is wound, so that the rotation of the pulley puts the cable in traction, draws the outer end 5b of the track 5 with the collar 6 towards the other, and therefore causes distension and, therefore ¬ say, the unwinding of the track itself from the inside to the outside of the body 1.
L'estremità interna 5a del cingolo à ̈ provvista a sua volta, preferibilmente, di un tirante filiforme 10 che, passando attraverso un foro 1e ricavato sul corpo 1 verso l'estremità di coda 1b, à ̈ accessibile con un suo capo 10a (dotato di un pomellino di impugnatura e non-ritorno) all'esterno del corpo stesso ed à ̈ utilizzabile per richiamare il cingolo all'interno del canale 2 e agevolare la riassunzione della posizione di partenza a cui sopra si à ̈ fatto cenno. The inner end 5a of the track is in turn preferably provided with a thread-like tie rod 10 which, passing through a hole 1e obtained on the body 1 towards the tail end 1b, is accessible through its end 10a (equipped of a handle and non-return knob) on the outside of the body itself and can be used to bring the track back into the channel 2 and facilitate the resumption of the starting position mentioned above.
La faccia esposta del cingolo 5, quella in verità propriamente esterna nella porzione distesa sull'esterno del corpo 1 ma rivolta verso l'interno quando il cingolo à ̈ dentro il canale 2), à ̈ dotata di una distribuzione diffusa e regolare di escrescenze 11 (non rappresentate in figura 1) in grado di conficcarsi stabilmente nel substrato da penetrare. Tali escrescenze hanno vantaggiosamente la forma di setole artificiali (diametro medio di 1.5 ± 0.6 mm e lunghezza di 5±1 mm realizzate ad esempio con applicazioni puntiformi di una resina termoindurente. The exposed face of the track 5, the one in truth properly external in the portion lying on the outside of the body 1 but turned inwards when the track is inside the channel 2), is equipped with a diffuse and regular distribution of growths 11 (not represented in figure 1) able to stick stably in the substrate to be penetrated. These growths advantageously have the form of artificial bristles (average diameter of 1.5 ± 0.6 mm and length of 5 ± 1 mm made for example with point-like applications of a thermosetting resin.
Il dispositivo secondo l'invenzione, nella forma realizzativa sopra descritta, funziona nel modo seguente. Partendo dalla configurazione di partenza, ossia con l'estremità esterna 5b del cingolo e il relativo collare 6 in prossimità dell'estremità di punta 1a del corpo 1, e la gran parte del cingolo stesso immagazzinata entro il canale 2 (figura 3), il corpo viene presentato al substrato da penetrare, con una modesta infissione manuale, dando modo alle setole 11 di ancorarsi sul substrato stesso. A questo punto entra in funzione l'attuatore 4 che mette in trazione il cavo 7, trazione che si scarica assialmente sul collare 6 e sulla staffa 3. The device according to the invention, in the embodiment described above, works in the following way. The body is presented to the substrate to be penetrated, with a modest manual insertion, allowing the bristles 11 to anchor on the substrate itself. At this point, the actuator 4 comes into operation which puts the cable 7 in traction, traction which discharges axially on the collar 6 and on the bracket 3.
Poiché il movimento relativo tra cingolo e substrato à ̈ impedito dall'attrito statico frutto dell'ancoraggio delle setole 11, la suddetta trazione si traduce in una spinta di penetrazione sulla staffa e conseguentemente sul corpo 1, con conseguente progressiva uscita del cingolo dal canale 2 (figura 4) ed aumento della superficie in presa sul substrato, attraverso le setole 11. Si nota appunto dalla figura 4 come la posizione reciproca del collare 6 e della superficie del substrato indicato con S sia invariata rispetto alla condizione di partenza, ma il corpo 1 sia maggiormente penetrato e contestualmente una maggior porzione del cingolo sia distesa sulla superficie esterna 1d e in ancoraggio sul substrato. Tale azione di infissione può evidentemente progredire fino alla completa penetrazione del corpo 1. Since the relative movement between the track and the substrate is prevented by the static friction resulting from the anchoring of the bristles 11, the aforementioned traction results in a thrust of penetration on the bracket and consequently on the body 1, with consequent progressive exit of the track from the channel 2 (figure 4) and increase of the surface gripping the substrate, through the bristles 11. It can be seen from figure 4 how the reciprocal position of the collar 6 and of the surface of the substrate indicated with S is unchanged with respect to the starting condition, but the body 1 is more penetrated and at the same time a greater portion of the track is extended on the external surface 1d and anchored on the substrate. This driving action can evidently progress up to the complete penetration of the body 1.
Il principio di locomozione a cingolo tridimensionale continuo sopra descritto può trovare forme di realizzazione differenti, in primo luogo per quanto riguarda il sistema di attuazione del movimento relativo tra cingolo 5 e corpo 1. Oltre ovviamente a possibili varianti della trasmissione attiva sulla coda (alternative alla puleggia/cavo, ad esempio sistemi a pignone e cremagliera e genericamente a ingranaggio), una più marcata variante prevede un attuazione sull'estremità di punta del corpo 1. Tale variante può essere utilizzata anche con un corpo 1 rigido come quello appena descritto, oppure, come nella seconda forma realizzativa schematicamente illustrata in figura 5, a cui si fa di seguito riferimento, nel contesto di un corpo 101 flessibile. The principle of continuous three-dimensional crawler locomotion described above can find different embodiments, first of all as regards the system for implementing the relative movement between crawler 5 and body 1. As well as obviously possible variants of the active transmission on the tail (alternatives to pulley / cable, for example rack and pinion and generally gear systems), a more marked variant provides for an actuation on the tip end of body 1. This variant can also be used with a rigid body 1 like the one just described, or , as in the second embodiment schematically illustrated in Figure 5, to which reference is made below, in the context of a flexible body 101.
La flessibilità del corpo 101, à ̈ in questo caso determinata da una pluralità di snodi 112 che collegano segmenti cilindrici lineari 113, il tutto sempre secondo una configurazione complessivamente tubolare che determina, come nell'esempio precedente, un canale interno 102 in cui trova alloggio il cingolo 105. La trasmissione del moto relativo al cingolo à ̈ determinata da un sistema di ruote 107 montate girevolmente sull'estremità di punta 101a, con relazione tangenziale rispetto alla superficie esterna 101d, e impegnantisi per attrito (o altri sistemi di impegno quali dentature) sulla faccia interna della calza/cingolo. Le ruote 107 sono azionate, attraverso una trasmissione di ovvia natura, ad esempio dentata, da attuatori 108 integrati nel corpo. Il movimento del cingolo può anche essere assistito da altre ruote attive lungo il corpo (non rappresentate). Inoltre, gli snodi 112 possono essere controllati attivamente, anche questo caso con espedienti costruttivi in sé e per sé alla portata del tecnico del ramo, al fine di conseguire un adattamento della forma e un controllo direzionale della locomozione. The flexibility of the body 101 is in this case determined by a plurality of joints 112 which connect linear cylindrical segments 113, all always according to an overall tubular configuration which determines, as in the previous example, an internal channel 102 in which it is housed the track 105. The transmission of motion relative to the track is determined by a system of wheels 107 rotatably mounted on the tip end 101a, with tangential relationship with respect to the external surface 101d, and engaging by friction (or other engagement systems such as toothing ) on the inner face of the sock / track. The wheels 107 are driven, through a transmission of obvious nature, for example toothed, by actuators 108 integrated in the body. Track movement can also be assisted by other active wheels along the body (not shown). Furthermore, the joints 112 can be actively controlled, also in this case with constructive expedients in and of themselves within the reach of the person skilled in the art, in order to achieve an adaptation of the shape and a directional control of the locomotion.
Il corpo cilindrico rigido risulta in definitiva più adatto ad applicazioni come la penetrazione lineare, in particolare del suolo, mentre la forma flessibile à ̈ maggiormente idonea ad applicazioni come l'esplorazione di ambienti nei quali si renda necessario aggirare ostacoli. The rigid cylindrical body is ultimately more suitable for applications such as linear penetration, in particular of the soil, while the flexible shape is more suitable for applications such as the exploration of environments in which it is necessary to circumvent obstacles.
Risulta dunque evidente da quanto precede come l'invenzione fornisca un dispositivo di inedita concezione, che raggiunge gli scopi prefissati grazie al cingolo continuo tridimensionale che assicura con semplicità una penetrazione efficace senza moto relativo tra il substrato e il corpo penetrante (protetto dallo stesso cingolo che invece à ̈ fermo rispetto al substrato) e, sempre per il medesimo effetto protettivo, impedendo l'interferenza di particelle del substrato tra parti fisse e parti in moto (rispetto al substrato stesso). La penetrazione à ̈ non distruttiva ed à ̈ contrastata da attriti trascurabili (quelli relativi tra il cingolo e il corpo). It is therefore evident from the foregoing that the invention provides a device of unprecedented conception, which achieves the intended purposes thanks to the continuous three-dimensional track which simply ensures effective penetration without relative motion between the substrate and the penetrating body (protected by the same track which instead it is stationary with respect to the substrate) and, again for the same protective effect, preventing the interference of particles of the substrate between fixed and moving parts (with respect to the substrate itself). Penetration is non-destructive and is counteracted by negligible friction (relative between the track and the body).
L'invenzione à ̈ in grado così di aprire numerosi e importanti sbocchi sia afferenti alla penetrazione/esplorazione di ambienti strutturati quali condutture sia a quella di ambienti non strutturati quali suolo, detriti, cave, orifizi, tessuti molli, il tutto sia a fini esplorativi che diagnostici, in ambienti a ridotta gravità o in condizioni di gravità normale. The invention is thus able to open numerous and important outlets both relating to the penetration / exploration of structured environments such as pipelines and to that of unstructured environments such as soil, debris, caves, orifices, soft tissues, all both for purposes exploratory and diagnostic, in environments with reduced gravity or in conditions of normal severity.
Il dispositivo può essere a tali fini dotato di sensori o moduli di comunicazione, disposti sul corpo o anche sullo stesso cingolo. La struttura cava può anche essere sfruttata per una funzionalità di trasporto (medicinali, mezzi di ripresa video, cavi o altra componentistica). Più in generale, esso può essere impiegato come modulo propulsivo di strutture robotiche più complesse che prevedono altre attrezzature o strumenti, ad esempio mezzi di campionatura. For these purposes, the device can be equipped with sensors or communication modules, arranged on the body or even on the track itself. The hollow structure can also be exploited for a transport function (medicines, video cameras, cables or other components). More generally, it can be used as a propulsive module for more complex robotic structures that include other equipment or tools, for example sampling means.
La presente invenzione à ̈ stata fin qui descritta con riferimento a sue forme di realizzazione preferite È da intendersi che possono esistere altre forme di realizzazione che afferiscono al medesimo nucleo inventivo, tutte rientranti nell’ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate. The present invention has been described up to now with reference to its preferred embodiments. It should be understood that there may exist other embodiments which pertain to the same inventive core, all falling within the scope of the claims set out below.
Claims (16)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
IT000101A ITFI20130101A1 (en) | 2013-05-03 | 2013-05-03 | DEVICE FOR AUTONOMOUS AND NON-DESTRUCTIVE ENVIRONMENTAL PENETRATION |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
IT000101A ITFI20130101A1 (en) | 2013-05-03 | 2013-05-03 | DEVICE FOR AUTONOMOUS AND NON-DESTRUCTIVE ENVIRONMENTAL PENETRATION |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
ITFI20130101A1 true ITFI20130101A1 (en) | 2014-11-04 |
Family
ID=48579217
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
IT000101A ITFI20130101A1 (en) | 2013-05-03 | 2013-05-03 | DEVICE FOR AUTONOMOUS AND NON-DESTRUCTIVE ENVIRONMENTAL PENETRATION |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
IT (1) | ITFI20130101A1 (en) |
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