WO2016108164A1

WO2016108164A1 - Estructura rígida deformable

Info

Publication number: WO2016108164A1
Application number: PCT/IB2015/059987
Authority: WO
Inventors: María Eugenia JARAMILLO LONDOÑO; Édison VALENCIA DÍAZ; Ana María HOYOS PAREJA; Alberto Mauricio ARIAS CORREA
Original assignee: Universidad Ces; Escuela De Ingeniería De Antioquia
Priority date: 2014-12-30
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2016-07-07

Abstract

Estructura rígida deformable, preferiblemente para uso en la simulación de escenarios tales como estructuras accidentadas, colapsadas, deformadas, con capacidad para retomar y modificar estos escenarios a voluntad, en donde la estructura comprende una pluralidad de núcleos, extremidades de conexión y sistemas de acople, presentando el núcleo al menos dos caras planas a las que se conecta el sistema de acople que a su vez se conecta a una extremidad de conexión que comprende un elemento estructural que tiene extremos en los cuales se dispone un elemento esférico para que el elemento estructural quede conectado al núcleo en forma pivotantemente.

Description

Estructura rígida deformable

Sector Tecnológico

La presente invención hace referencia al campo de las estructuras rígidas que permiten deformaciones intencionales, para tomar formas diversas que simulen diferentes tipos de estructuras, tales como chasises de vehículos, estructuras de edificios, entre otros. Más particularmente, la invención se refiere al desarrollo de una estructura rígida espacial que permite simular el espacio deformado o alterado que resulta luego de accidentes tales como los automovilísticos, de manera tal que permitiera vencer los siguientes inconvenientes que se presentan en el modelo tradicional de entrenamiento en las técnicas de rescate en estructuras colapsadas.

Estado del Arte

En el ámbito de la simulación y entrenamiento sobre accidentes y catástrofes no se conocen equipos que logren hacer todo el proceso completo de extracción y corte para el abordaje de un escenario especial, no siempre se logran recrear todos los posibles escenarios de accidente, luego de que una parte de una estructura, tal como la de un vehículo, es cortada no puede ser usada por otro grupo o equipo de trabajo. Para el entrenamiento de un grupo de rescate se requiere que el equipo repita el procedimiento en varias oportunidades y no es posible contar con un número tan grande de vehículos donados que permitan que por lo menos 30 estudiantes cada 6 meses aprendan correctamente la técnica. Repetir los escenarios para mejorar la técnica.

Adicionalmente, no existen estructuras diseñadas para los fines específicos planteados de rescate en estructuras colapsadas. Sin embargo se identificaron, en el estado del arte, ciertas invenciones que en su concepto se podrían aplicar a las actividades propuestas en la presente invención, sin embargo no solucionan los problemas técnicos presentados en las prácticas de rescate en estructuras colapsadas.

Los mecanismos más actuales en el campo de las estructuras rígidas amorfas o con deformaciones intencionales se encuentran sistemas con poca flexibilidad angular o con flexibilidad angular limitada a un eje. Por ejemplo, en la patente norteamericana US20100139192 se presenta un sistema de juntas que conforman una estructura rígida en la cual cada conjunto conector se compone de una primera tapa, una segunda tapa y un miembro principal sujetados por un miembro de sujeción. Este mismo sistema se encuentra en las patentes US4627210 y US6591571 B2. A este sistema se unen puntales que poseen un ángulo de inclinación de entre -30° y 30.

Estas invenciones, sin embargo, no solucionan completamente los problemas presentados en la conformación de escenarios que simulan accidentes debido a la poca movilidad angular entre los elementos estructurales. El hecho de que solo permiten movimiento angular en un eje y la complejidad para montar y desmontar cada puntal del miembro principal representa un problema no resuelto aún en el arte.

Otro dispositivo en el campo de estructuras amorfas es el expuesto en la patente norteamericana US6591571. Dicha invención se trata de un conjunto de cubo para conectar de forma pivotante a los extremos de las barras de soporte de una estructura de pantalla auto portante portátil. El conjunto de cubo consta de una primera porción base, una segunda porción y un pin conector opcional. La primera y segunda porción contienen elementos que se extienden axialmente y por lo general tienen forma de U. la primera porción base contiene una abertura central axial y la segunda porción contiene otra abertura coaxial con la abertura de la primera porción, permitiendo así la unión de estos elementos a través de un elemento conector. Este sistema posee cierta utilidad en el área de estructuras amorfas plegables, sin embargo no resuelve los problemas planteados en la presente invención debido a que tiene fuertes limitaciones en cuanto al ángulo en que se puedan colocar dichas porciones, resultando en una movilidad angular pobre; además de que se trata de un sistema de unión complejo que no permite el montaje y desmontaje rápido de una estructura dada.

También se puede tener en cuenta la patente norteamericana US4627210 en la cual se presenta un sistema de ensamblaje cúbico para sostener de manera pivotante los extremos de unos soportes tipo columna que forman una estructura colapsable auto-portante. El sistema consta de un cuerpo de eje circular, un disco de bloqueo circular, unas varillas de soporte y unas tapas de extensión. El cuerpo de eje circular recibe y mantiene de manera pivotante los extremos de las tapas de extensión, las cuales están adheridas a las varillas de soporte, y el disco de bloqueo circular enclava el sistema con el cuerpo circular pero manteniendo la relación pivotante entre las tapas de extensión y el cuerpo. Esta invención es similar a la presentada anteriormente (patente US20100139192) en el sentido en que ambas invenciones poseen las mismas desventajas para los propósitos de la presente invención; es decir, la movilidad en las varillas de soporte y tapas de extensión es muy pobre y posee una cantidad limitada de varillas que se pueden adicionar. Además, estas varillas no pueden moverse libremente en los 3 ejes coordenados.

Otro mecanismo que se puede mencionar es la invención presentada en la patente US4290244, la cual consta de una serie de cilindros que actúan como elementos estructurales y en su centro tienen ranuras para atravesar un pasador, de esta manera se pueden unir 2 o más cilindros en forma de x, permitiendo cierto juego para poner los cilindros dependiendo del largo de las ranuras. Esto otorga cierta flexibilidad angular. Sin embargo, dicha patente tiene una finalidad más concreta que no requiere tener flexibilidad angular sino alta eficiencia mecánica, por lo que su capacidad angular está limitada. Breve Descripción de la Invención

En virtud de las falencias arriba expuestas la presente invención comprende una novedosa estructura que permite: recrear un escenario especial de entrenamiento para rescate de vehículos colapsados en accidentes vehiculares (impacto frontal, lateral, volcamiento, etc.) Reponer las piezas cortadas para crear de nuevo el mismo espacio o uno nuevo, ganar habilidades en el uso de herramientas propias de estos trabajos. Diseñar ejercicios para que se desarrollen en un contexto deseado, con la opción de repetir la situación tantas veces sea necesario. Es decir, la estructura rígida deformable permite la simulación repetida, permitiendo la ganancia de la habilidad haciendo ejercicios prácticos orientados, que podrán ser más tarde asimilados en un escenario real.

La construcción de estos escenarios se puede extender a otros ambientes como estructuras colapsadas, medios de transporte, minas, etc.

Comparando las patentes arriba mencionadas con la presente invención, la principal diferencia está en la conformación de una estructura rígida que puede ser deformada controladamente en forma deseada gracias a la sujeción entre una pluralidad de extremidades móviles y una pluralidad de núcleos. La presente invención conecta a cada extremidad con el núcleo de forma individual, asegurando que en el momento de falla, la estructura se comprometa al mínimo. En las patentes comparadas, las extremidades móviles son sujetadas al núcleo de forma grupal. Otra característica es la rigidez y flexibilidad que ofrece la inventiva presentada al tener un núcleo rígido y cada sujeción a las extremidades móviles con resistencia individual. Descripción de los dibujos

La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia, muestra una vista isométrica de cierta estructura rígida deformable a manera de ejemplo, donde se aprecian sus partes.

La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia, muestra una vista isométrica de un sistema de núcleo, sistema de acople y extremidad móvil, con un ángulo de 25 grados respecto a dos de los ejes coordenados cartesianos.

La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia, muestra una vista isométrica de un explosionado de un sistema de núcleo, sistema de acople y extremidad móvil sin ángulo, donde se aprecian en más detalle cada pieza de la invención.

La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia, muestra una vista isométrica de un explosionado de una extremidad móvil, donde se aprecian en más detalle cada elemento que compone la extremidad móvil.

La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia, muestra una vista isométrica de un explosionado de un sistema de acople, donde se aprecian en más detalle cada elemento que compone el sistema de acople

La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia, muestra una vista isométrica de un núcleo, donde se aprecian algunos detalles que debe tener el núcleo La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia, muestra una vista dimétrica de una estructura cúbica simple a modo de ejemplo que consta de 8 núcleos, 12 extremidades móviles y 24 sistemas de acople.

La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia, muestra una vista dimétrica de una estructura rígida deformable usada para un simulador de espacios confinados. Muestra la estructura sin deformar y también la estructura deformada. La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia, muestra una vista posterior de un simulador de extracción y extricación vehicular construido con la estructura rígida deformable. Muestra la estructura sin deformar y también la estructura deformada.

Descripción detallada

Dados los antecedentes presentados, se describen, de la presente invención, a continuación en detalle las piezas y elementos que lo componen, introduciendo un concepto, que genera un efecto sorprendente y novedoso, en el área de estructuras rígidas que permiten deformaciones intencionales.

La presente invención se refiere a un mecanismo de articulación conformado por un núcleo (1 ), una extremidad móvil (3) y un sistema de acople (2).

El núcleo (1 ) mostrado en detalle en la Figura 6, se trata de un elemento compacto que permite sujetar el sistema de acople a las extremidades móviles. La forma y dimensiones de dicha pieza pueden ser escogidas dependiendo de la estructura que se necesita construir y de la carga requerida a soportar en la estructura (Figura 1 ). Los núcleos deben permitir la integración con otros núcleos a través de extremidades móviles, con el objetivo de crear la estructura rígida que permite la deformación (Figuras 7 y 8). Es importante anotar que la invención requiere que el núcleo, independiente de su forma geométrica y dimensiones, tenga al menos dos caras planas sobre la cual acoplar los demás elementos de la invención.

Una extremidad móvil (3) mostrada en detalle en la Figura (4) se refiere a un elemento rígido que tiene la posibilidad de moverse omnidireccionalmente con respecto al núcleo y se encaja en el sistema de acople (2), es decir, la extremidad móvil puede moverse en cualquier dirección espacial hacia un lado del núcleo. La extremidad móvil está compuesta por un elemento de superficie esférica (6), un buje de soporte (9) y un elemento estructural (10).

El elemento de superficie esférica (6), es una pieza con forma esférica, sin embrago, deberá entenderse que la forma esférica a que se haga referencia en la presente invención significara que la pieza esférica (6) puede ser totalmente esférica, semiesférica o parcialmente esférica, lo que permite que sea sujetada o presionada por el sistema de acople (2) para limitar el movimiento de las extremidades móviles.

En una sección del elemento de superficie esférica o plano tangente a él hay un elemento que sobresale (8), es fijo al elemento de superficie esférica (6) y permite asegurar el buje de soporte (9) que hace parte de la extremidad móvil (3).

El buje de soporte (9) es una pieza que sirve para conectar el elemento de superficie esférica (6) con el elemento estructural (10). Esta pieza asegura la unión entre ambos elementos de forma sólida y rígida para garantizar una estructura segura.

No está restringida a una forma específica, pero debe encajar al interior del elemento estructural (10) y garantizar un acople seguro y rígido entre el elemento de superficie esférica (6) y el elemento estructural (10).

El elemento estructural (10) es la pieza que define un lado de una cara de la estructura, hace parte de la extremidad móvil (3) y su función es unir dos núcleos (1 ) de la estructura rígida deformable. Su forma, tamaño y dimensiones son relativos a cada cara de la estructura y una estructura se podrá conformar por varios tamaños de elementos estructurales (10).

El sistema de acople (2) de la figura 5 sirve para unir el núcleo (1 ) con la extremidad móvil (3) y consta de uno o varios elementos anti-rotación (4) o anti-torque, una tapa inferior (5) y una tapa superior (7).

El elemento anti-rotación (4) hace referencia a un cuerpo sólido que sirve para eliminar el giro de la tapa inferior (5) con respecto al núcleo (1 ). La tapa inferior (5) se dispone entre el elemento de superficie esférica (6) y el núcleo (1 ). Tiene un mecanismo de acople y desacople con una tapa superior (7). La función de ambas tapas es aprisionar o liberar el movimiento del elemento de superficie esférica (6). La tapa inferior tiene una cara plana la cual se une al núcleo.

La tapa superior (7) es una pieza que se une a la tapa inferior (5) cuya función es controlar los movimientos omnidireccionales del elemento de superficie esférica (6) de la extremidad móvil (3). Es una pieza que permite sujetar el elemento de superficie esférica (6) entre la tapa inferior (5) y la tapa superior (7) del sistema de acople (2). Permite que la extremidad móvil tenga libertad de movimiento en todas las direcciones, es decir pueda pivotar, cuando las tapas estén sueltas y limita su movimiento cuando las tapas presionan el elemento esférico. Independiente de su geometría, debe tener una sección hueca que pueda ser atravesada libremente por el elemento que sobresale (8) del elemento de superficie esférica (6).

La manera como se ensamblan todos los elementos se describirá a continuación: La tapa inferior (5) se adhiere al núcleo (1 ) y se lo fija al mismo por medio de un tornillo (14), ver Figura 5, junto con el elemento anti-rotación (4) que impide la rotación de la tapa inferior (5) sobre la cara del núcleo (1 ). El elemento de superficie esférica (6) se posa sobre la tapa inferior 5 y se aprisiona con la tapa superior (7). El buje de soporte (9) se une al sólido que sobresale del elemento esférico (8) y por último se añade el elemento estructural (10) de la extremidad móvil (3) por medio del buje de soporte (9).

Es de anotar que la invención no está sujeta a materiales ni formas en específico, salvo los siguientes apuntes: el núcleo (1 ) debe tener al menos dos caras planas, en general puede ser un poliedro, la tapa inferior (5) debe contener una cara plana y una cara cóncava, el elemento de superficie esférica (6) debe poder situarse dentro de la tapa inferior (5) y debe contener un elemento rígido que sobresale (8) del elemento de superficie esférica (6) para sujetar el buje de soporte (9). La tapa superior (7) debe tener una geometría hueca. El buje de soporte (9) y el elemento estructural (10) de la extremidad móvil (3) se recomienda que sean cilindricos.

A continuación, se hará una referencia más detallada a una configuración preferida de acuerdo con la presente invención. Es de notar que aunque se da esta configuración como la preferida, no quiere decir que la estructura este limitada a los ejemplos ilustrados. Pueden realizarse modificaciones según convenga y el alcance de la presente invención está definido por las reivindicaciones presentadas. Todos los mecanismos y métodos son cubiertos en el apartado de reivindicaciones, ya sea literalmente o por equivalencia.

La figura geométrica más funcional del núcleo (1 ) es un cubo (seis caras planas), aunque como se dijo puede ser cualquier otro poliedro, construido preferentemente de metal, o cualquier otro material resistente, con perforaciones roscadas (15) en cada una de sus caras y perforaciones no roscadas (16) cercanas a la perforación roscada (15), que cumplen funciones de soporte anti giro y facilita la sujeción de los demás elementos de la invención.

Se recomienda que el material del elemento de superficie esférica (6) sea un material polimérico que soporte el desgaste y la fatiga y con un coeficiente de fricción que permita soportar la carga deseada y dejar el elemento de superficie esférica (6) fijo con respecto al núcleo (1 ). El material del elemento que sobresale a la superficie esférica (8), debe cumplir con condiciones de resistencia, peso y longitud según el diseño de la estructura que se desea construir, por esto se recomienda que sea metálico.

Si la geometría del elemento estructural (10) es cilindrico hueco, se recomienda que el buje de soporte (9) sea un cilindro sólido, el cual debe tener un diámetro externo menor al interno del cilindro del elemento estructural (10), pero puede ser de otra forma geométrica que encaje al interior del elemento estructural y genere rigidez. Además se recomienda tener una o más perforaciones roscadas para funciones de sujeción por tornillo (1 1 ) u otro elemento de fijación. Es posible también que el elemento estructural (10) y el buje de soporte (9) sean una sola pieza maciza, en cuyo caso, la funcionalidad y flexibilidad de la invención no se verían afectadas salvo que cumplan con los requerimientos mínimos de ambas piezas.

Una geometría preferida para el elemento anti-rotación (4) es un cilindro pequeño que se incrusta entre el núcleo (1 ) y la tapa inferior (5) de manera que quede aprisionado entre estas dos piezas y evite el movimiento rotacional de la tapa inferior (5) en una de las caras del núcleo (1 ). El material debe soportar la carga de la estructura.

La geometría recomendable para la tapa inferior (5) es un cilindro de material metálico con una perforación pasante en su eje central del mismo diámetro que la perforación roscada que se encuentra en la cara del núcleo (1 ). Este cilindro tiene un agujero no pasante para albergar el elemento anti-rotación (4). En el otro extremo del cilindro de la tapa inferior (5) se tiene una rosca externa (12) para el acople con la tapa superior (7), la cara interna del cilindro de la tapa inferior (17) tiene una forma cóncava que recibe el elemento de superficie esférica de la extremidad móvil y tiene una superficie rugosa que aumenta el factor de adherencia. De esta manera, ajusfando en menor o mayor grado la tapa superior (7) sobre la tapa inferior (5) se aprieta en menor o mayor grado el elemento de superficie esférica (6) liberando o restringiendo su libertad de giro, permitiendo así modificar la relación espacial entre los distintos elementos estructurales (10) y fijar a los mismos en las posiciones modificadas para simular restricciones en túneles, colapsos de carrocerías de automotores, techos derrumbados, etc. como se ilustra esquemáticamente en las Figuras 8 y 9. Para la tapa superior (7), se recomienda un acabado interno suave y sin bordes para no deteriorar el elemento de superficie esférica (6) cuando este presione el elemento de superficie esférica (6) entre las tapas, Además un grabado en la cara exterior de la tapa superior (7) que permita la sujeción con herramientas de torque o la mano del operario.

Como los núcleos (1 ) tienen dos o más caras planas, a cada cara plana de cada núcleo (1 ) se puede adherir un sistema de acople (2) para sujetar una extremidad móvil (3). La unión de varios núcleos con las extremidades móviles permite crear una estructura rígida deformable, de tamaño y forma deseada.

Una estructura puede contener un primer núcleo (1 ) conectado con un segundo núcleo (1 ) por medio de dos sistemas de acople (2) y una extremidad móvil (3). A cada núcleo nombrado se le puede añadir la conexión a un tercer núcleo (1 ) por medio de otra extremidad móvil (3) y dos sistemas de acople (2) y así sucesivamente. Cada extremidad móvil puede tener un ángulo distinto de cero con respecto al eje principal del sistema de acople, pudiendo de esta manera tener cada extremidad móvil en un ángulo entre -60 y 60 grados con respecto a cualquier eje coordenado cartesiano. Esto da pie a un sinfín de configuraciones posibles sobre las cuales emplear la estructura. A continuación se describirán solo algunos ejemplos de estas estructuras.

A modo de ejemplo, se presenta una ¡ Error! No se encuentra el origen de la referencia., formada con ocho núcleos (1 ), doce extremidades móviles (3) y veinticuatro sistemas de acople (2). También, se presenta una sección del techo de una cabina usando la ¡ Error! No se encuentra el origen de la referencia., construida por medio de uniones entre núcleos y con ángulos en algunas de las extremidades móviles.

Se muestra también, en la ¡ Error! No se encuentra el origen de la referencia.. Este pretende simular diferentes escenarios en donde la movilidad para un humano de estatura promedio es reducida. Para lograrlo, se crea una estructura tipo túnel, con obstáculos creados a partir de núcleos y extremidades móviles que limitan el espacio por donde se puede avanzar. Dada la flexibilidad y el fácil montaje y desmontaje de la invención, esta estructura puede usarse para realizar prácticas de entrenamiento en rescate y simulación de terremotos o derrumbes, tendiendo la posibilidad de modificar la estructura o los obstáculos como se desee.

Una serie de núcleos con varios sistemas de acople y extremidades móviles pueden usarse en la construcción de un ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., adaptando la estructura de un vehículo pero reemplazando el techo y las puertas con una serie de núcleos, sistemas de acople y extremidades móviles a diferentes ángulos, permitiendo simular diferentes situaciones como choques laterales, delanteros, volcamientos, entre otros. La ventaja de usar una estructura rígida deformable comparado con otros tipos de estructuras es la facilidad en el montaje y desmontaje, la posibilidad de practicar cortes y separaciones, total personalización de la estructura y del tipo de situación a simular, entre otros.

Claims

REIVINDICACIONES

1 . Estructura rígida deformable, del tipo que puede conformarse mediante la interconexión de una pluralidad de núcleos, extremidades de interconexión entre núcleos y sistemas de acople, en donde:

el núcleo comprende una pieza que tiene caras planas,

el sistema de acople comprende una tapa inferior conectada a una cara plana del núcleo y una tapa superior acoplable regulablemente en dicha tapa inferior,

la extremidad de conexión comprende un elemento estructural que tiene extremos en los cuales se dispone un elemento esférico que se dispone retenido regulablemente entre dichas tapas inferior y superior del sistema de acople, quedando el elemento estructural conectado al núcleo pivotantemente.

2. Estructura rígida deformable de la reivindicación 1 en donde dicha tapa inferior se fija al cubo y cuenta con un elemento anti-rotación.

3. Estructura rígida deformable de la reivindicación 1 en donde dicho elemento esférico se conecta a dicho elemento estructural por medio de un buje de soporte que, a su vez, se conecta al extremo correspondiente del elemento estructural.

4. Estructura rígida deformable de la reivindicación 1 en donde dicho núcleo comprende una perforación para la conexión de dicha tapa inferior del sistema de acople.

5. Estructura rígida deformable de la reivindicación 1 en donde dicho núcleo comprende una perforación para la conexión de dicho elemento anti-rotación.

6. Estructura rígida deformable de la reivindicación 1 en donde dicha conexión pivotante entre el elemento estructural y el núcleo abarca arcos entre -60 y 60 grados en cualquier eje coordenado cartesiano.

7. Estructura rígida deformable de la reivindicación 1 en donde el elemento esférico de la extremidad móvil presenta un diámetro menor al diámetro de la tapa inferior.

8. Estructura rígida deformable de la reivindicación 1 donde dicho acoplable regulable entre dicha tapa inferior y la tapa superior está conformado por una rosca entre ambas tapas.

9. Estructura rígida deformable de la reivindicación 1 en donde el elemento esférico de la extremidad móvil es de material polimérico.

10. Elemento estructural de la extremidad móvil de la reivindicación 3 el cual está conectado acoplablemente y desacoplablemente al elemento esférico.

1 1 . Elemento estructural de la extremidad móvil de la reivindicación 3 el cual se une al buje de soporte mediante un elemento de fijación removible.