WO2020117037A1 - Simulador de vuelo robótico táctico y acrobático - Google Patents

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WO2020117037A1
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robotic arm
wing
simulator
simulation
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PCT/MX2019/000035
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Luis ARROYO FLORES
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Industrial Robotics Solutions Mexico Sa De Cv
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    • G09B9/42—Aircraft, aircraft simulator or means connected thereto, travelling on the ground or water during simulated flight training

Definitions

  • the present invention refers to a process system through computer programs that make communication between a flight simulator and an industrial robotic arm viable to provide for the 3 aerial activities.
  • Military Private and Commercial, which allows providing through a quick change system (Quick Changeover) to different simulation platforms (helicopters, fixed wing aircraft, automobiles, etc.) movements of 4-360 "as well as, linear movement , thus obtaining a simulator with the ability to perform tactical and acrobatic maneuvers that allow an approximation to the realism of the simulation.
  • the technical advantages of the present invention are its ability to move in three dimensions, as well as its comprehensive mobile simulation system, which currently no conventional simulator on the market can perform, making it primarily suitable for training High performance aircraft and mobiles such as military aviation, whose daily operations involve carrying out complicated tactical or acrobatic maneuvers that can only be carried out in real flight training, which involves risks of both loss of life and material .
  • the SEDE ⁇ A information revealed through an ease of transparency, locates the first cases of aircraft discharged due to accidents between 1984 and 1985.
  • the devices involved were mainly helicopters.
  • hydraulic cylinders which are mechanisms that consist of a cylinder within which a piston or piston moves, and which transforms the pressure of a liquid, mainly oil, into mechanical energy (also called linear hydraulic motors). mechanical actuators that are used to give a force through a linear path.
  • Hydraulic cylinders draw energy from a pressurized hydraulic fluid, which is typically some type of oil.
  • the hydraulic cylinder basically consists of two parts: a barrel cylinder and a moving piston or plunger connected to a rod.
  • the barrel cylinder is closed at both ends, in one is the bottom and in the other, the head through which the piston is inserted, which has a perforation through which the stem comes out.
  • the piston divides the Interior of the cylinder into two chambers: the lower chamber and the stem chamber. Hydraulic pressure acts on the piston to produce linear motion.
  • document US 9,230,448 B2 refers to a flight simulator device to simulate the flight behavior of an aircraft. However, (Invention tab does not have the degrees of movement proposed by the present invention.
  • document DE 102012211190 A1 refers to a motion simulator, however, said document does not disclose the use of quick change systems for cockpit coupling as proposed in the present invention.
  • document EP 997 176 A3 refers to a robotic motion simulator, in which an industrial robotic arm is used, however, this document does not reveal or suggest the use of quick change systems for coupling the flight deck. .
  • the present invention refers to a flight simulator system that includes an industrial robotic arm that has six controlled servo axes with movement capacity of up to + -360o, and a seventh linear axis that works independently, which allows the execution of movements with greater freedom and flexibility, so it has greater use in simulators for training aircraft.
  • the proposed robot has the advantage of requiring preventive maintenance up to 8700 hours of operation and major maintenance after 35000 hours. Additionally, it does not require additional facilities for the flight deck to reach ground level due to the degrees of Hbertad provided by the six axes of the robotic arm.
  • center of gravity and balance can be configured depending on the type of aircraft, for example, depending on whether it is a fixed-wing or rotary-wing aircraft.
  • Figure 1 shows a flow chart of the main process of operation of the robotic flight simulator.
  • Figure 2 shows a flow chart of the cabin ignition process.
  • Figure 3 shows a flow chart of the robot start-up process.
  • Figure 4 shows a flow diagram of the power-up process of the security interface.
  • Figure 5 shows a flow diagram of the process of User Login to the cabin.
  • Figure 6 illustrates an overview of the robotic flight simulator system.
  • Figure 7 illustrates a detailed view of the robotic arm.
  • Figure 8 shows an overview of the linear robot.
  • Figure 9 shows two views of the flight deck.
  • Figure 10 shows the complementary components of the robotic flight simulator system.
  • Figure 11 shows detailed views of the quick change system.
  • Figure 12 shows a top view of the robotic flight simulator system.
  • Figure 13 shows a side view of the robotic flight simulator system.
  • the present invention relates to a comprehensive robotic flight simulator system shown in Figure 1, in which. It is shown in an illustrative way that the system can comprise an industrial robotic arm with six axes 1 controlled servo that has the ability to be programmed in different routines that allow it to execute different applications in the industrial environment, with respect to communication with flight simulation software, robot 1 has with a custom-made program that will give you the possibility to communicate with the Flight Simulator software.
  • robot 1 In its last axis, that is to say, the sixth axis or degree of movement, also known as the tool flange, it is provided that the quick change system "master" 12 will be attached, which through air injection, by example at 90 PSI, it has the ability to enable or disable its mechanism.
  • This mechanism will be manipulated by sending saliales from the robot program and from the IRSM communication interface.
  • the system has a continuous robot as the seventh axis, which provides linear movements and accelerations, which allows the degrees of movement necessary to simulate a flight in an aircraft, as well as tactical and acrobatic movements and which provide controlled movements of more less 360 degrees of freedom.
  • linear robot 2 can measure approximately 7 meters, it should be of excellent stability and resistance to contamination as it operates quietly and allows adequate load distribution Even during emergency stops. For this end.
  • the glides of the linear robot are precisely fitted into the welded and closed beam module. Likewise, the system allows the linear robot rollers to be adjusted from the outside.
  • linear robot 2 is configured with integrated motion planning that considers all dynamic forces when planning combined robot rotation and track movement, allowing for excellent simulation of running time. cycle, maximum speed and route precision.
  • Linear robot module 2 can be coupled to the robot base, for example, using TCP / IP communication protocols, the Industrial Ethemet / IP or any other available protocol that allows communication, for example, with a PC or a network of computer equipment.
  • Said robots 1 and 2 operate independently, and perform movements that allow the freedom, flexibility, repeatability and security that the system requires. Especially, a required use is achieved for the flight simulation of airplanes and helicopters that require military training. However, the linear robot system responds as a slave or extension to the 6-axis robot that has already been described.
  • the system has at least two interchangeable flight cabins 3 and fl, which each include all the flight instruments necessary for the training of at least one crew member of the aircraft. center of gravity the Quick Change System 10 and 12 working as a slave to the Master module Installed in the robotic arm and will allow it to be coupled to this module when it is activated through the IRSM communication interface
  • the system has an instructor 11 flight deck, which will allow the accommodation of an instructor who will be able to supervise the performance of the user who is being trained and, therefore, will have the instrumentation and elements necessary for this purpose.
  • the system has the ability to simulate fixed-wing aircraft, such as airplanes or rotary-wing, such as helicopters.
  • This cabin can be exchanged according to the type of aircraft in which you want to train. Additionally, thanks to the configuration of seven «jes, the system has a configurable center of gravity and balance, which allows the simulation of various aircraft using the same simulator equipment. Even if necessary, the seven-axis configuration can be adapted to simulate any other type of vehicle, for example air, sea and land vehicles.
  • the term flight deck shall be understood as the space intended for the transport crew, and it shall be adapted in its instrumentation for any of these purposes, even when the simulated vehicle is not an air vehicle.
  • the terms cabin, flight cabin, cockpit or any other similar existing in the slang of the technical field may be understood equivalently by a technician in the field.
  • the system has a quick-change system 10 and 12 to couple and uncouple the various flight cabins 3, 9 and which allows the same equipment to be used for different aircraft.
  • the Integra system also includes a set of interfaces.
  • the IRSM communication interface is a communication interface between the flight simulator software and the robotic arm called IRSM-FFS, which will allow the integration of the tactical and acrobatic flight simulator and that will increase security and efficiency of user training through the performance of its 6 Serves (0 * + - 380 *), compared to those already in operation today.
  • This interface will allow the user to manipulate the elements of the system in an autonomous way, in this way the entire system is an interactive element in which it will take the user by the hand in the autonomous management of the simulation system, granting maximum security in its elements, providing a step-by-step mode of the entire flight simulation experience.
  • This interface in addition to working as an integrator of all the software elements (Robot Software, Flight Simulation Software, PC Software (Communication Via Socket TCP-iP) Security Software, contains the visual elements with which the user can interact final user.
  • the IRSM communication interface buttons are listed below.
  • the system has a security interface through which the various security measures are configured; called IRSM security interface.
  • IRSM security interface serves to safeguard the integrity of any person as well as the facilities. It is intended to supervise dangerous areas where the Robotic Simulation System in Operation will be found.
  • the IRSM Security interface consists of at least 4 laser scanners of up to 4 meters range by 275 * at its periphery that allow the exploration of its environment bi-dimensionally with infrared laser beams. It is used to monitor dangerous areas close to people, machines or vehicles. It works following the principle of light propagation time measurement. This system emits very short light pulses (emission pulses). Simultaneously an 'electronic stopwatch' is started. When light strikes an object, the light is reflected and received by the safety laser scanner (receive pulses). Thus resolutions between 30 mm and 150 mm can be achieved. Thanks to the active scanning principle, the scanner does not require external receivers or reflectors. This brings the following advantages: Installation requires lower costs and deployment of media. The user can easily adapt the supervised area to the dangerous area of a machine. Compared to touch sensors, contactless scanning is virtually wear-free.
  • the IRSM Security interface integrates security lock switches that respond when a mechanical protection is opened. Intertock-type switches feature "positive action" contacts for high reliability, regardless of ambient conditions, and withstand attempts to bypass the switch and bypass the system.
  • Magnetic Safety Switches which are sealed, resist water, dust and are more tolerant to misalignments than mechanical switches. These switches will be placed, for example, on Doors and on the 5 Point belt, in order to fully validate all the security points involved in the IRSM Security Interface.
  • the system incorporates a simulation interface that allows the manipulation of the flight simulator and its configuration;
  • Said flight simulator may be, for example, Xpla ⁇ e ® produced by Laminar Research, Microsoft Flght Slmulator, or any other custom or commercial simulation software that has been authorized, for example, for use with specific hardware for pilot training.
  • FAA Federal Aviation Administration
  • this simulator is to offer the most realistic flight experience possible. For this, it has a range of simulated aircraft, from the simplest to large line reactors and, in addition, a recreation of planet earth with its geographical features and around 18,000 airports, airfields and heliports, as well as aircraft carriers in which carry out their flight practices.
  • the realism of the flight physics of the chosen simulator must be based on the creation of a virtual wind tunnel around the plane, thus achieving effects similar to the real ones.
  • the simulator must offer editors to edit and even create any type of aircraft (fighters, helicopters, light aircraft, etc.) in addition to wing profiles. It could also include a scenario editor, although a third-party tool could also be chosen to carry out this task.
  • the simulator will be able to implement an aerodynamic model called Blade Element Theory.
  • flight simulators emulate real-world performance of an aircraft by using empirical knowledge in a predefined lookup tabie to determine aerodynamic forces such as lift or drag, which vary according to different conditions. Of flight. These simulators sufficiently simulate the characteristics of aircraft flight, specifically those with known aerodynamic data, but are not useful in design work, and do not predict aircraft performance when actual thrush is not available.
  • the system will comprise a set of auxiliary systems, such as an electric generator 4 of sufficient capacity, which serves to keep the flight system mobile and autonomous, a transfer board 7 that serves to be able to autonomously receive energy from a source fga, an electric conditioner 6 that serves to protect the entire electrical system from problems of voltage spikes, voltage variation, high frequency noise, harmonic distortion, power factor variation, a mobile platform 8 and a truck tract that will serve to transport the Integral flight simulation system to any place where it is required.
  • auxiliary systems such as an electric generator 4 of sufficient capacity, which serves to keep the flight system mobile and autonomous
  • a transfer board 7 that serves to be able to autonomously receive energy from a source fga
  • an electric conditioner 6 that serves to protect the entire electrical system from problems of voltage spikes, voltage variation, high frequency noise, harmonic distortion, power factor variation
  • a mobile platform 8 and a truck tract that will serve to transport the Integral flight simulation system to any place where it is required.
  • the flight deck is coupled to the robotic arm by means of the quick change system 10 and secured by the set of safety interlocks; in such a way that the cabin can be changed safely according to training needs.
  • the center of gravity and balance is configured through the simulation interface;
  • the configuration of the center of gravity and balance depends on the type of wing chosen for the simulation interface and the type of cabin attached to the robotic arm.
  • the flight deck can be one of a fixed wing or a rotary wing.
  • the simulation interface can be configured as a fixed-wing or rotary-wing simulator consistent with the type of cab attached.
  • the industrial robotic arm comprises a seventh axis, which will allow the simulation of additional linear movements.
  • Figure 1 shows the general process of the flight simulator system 100, in said process, a validation of the flight simulation software 101 is carried out, which determines if it is necessary to turn on the cabin 200 or if it is already in use.
  • the connectivity in the network of the robot 102 is validated, if it cannot be validated, the process of turning on the robot 300 is carried out, if it is validated, a validation of the security interface 103 is performed, which can derive in the ignition of the security interface 400, if it is not turned on, since if it is, the validation of the position of the user 104 is carried out, if not found, the process of entering the user into cabin 500 will be carried out, if the user is already in the cabin, the Flight Dashboard Interface 105 is loaded.
  • This set of stages, together with their corresponding auxiliary processes, allow the set-up of the system so that the user can to start using the flight simulator.
  • the system is configured to redblr various types of user inputs through of the interface or by the Instruments of the cabin.
  • the system loads the simulation interface 108, and waits for the user to indicate the start of simulation 110 by clicking the start simulation 109 button. Since the simulation has started, the user can activate the spatial attitude function (Spatlal Attitude) 111a, once activated by the user, this function is executed 112a. Otherwise, if the user decides not to activate this function, the system makes a selection of level, mode and orientation 112b.
  • the spatial attitude function Spatlal Attitude
  • the user can also activate the emergency stop 111b, if so, the simulation stops 114. Additionally, the user could decide to end the simulation 113 without activating the emergency stop, k> which would also result in the end from simulation 114.
  • Figure 2 illustrates the process of lighting the booth 200, in which a personal computer is turned on, or any other computing device that allows the execution of the system 201, this allows the power panels to be energized. Instrumentation 202 and the IP address of booth 203 is validated. Once the booth is powered on, the system will be able to recognize that it is powered on through the communication interfaces.
  • figure 3 shows the process of starting the robot 300, which is carried out in stages comprising: Turning on the controller 5 of the 6-axis robot 301, subsequently, the energization of the servo mechanisms 302 of said robot. The seventh axis 303 controller is then turned on and the seventh axis 304 servo mechanism is energized. Once done, the IP addresses of the robotic systems 305 are validated. Since this validation is successful, the air pressure in the pneumatic hoses 306 and, if applicable, the validation of the quick tool change mechanism 307.
  • FIG 4 shows the process of turning on the security interface 400, in this process, the scanner system 401 is turned on, which can be 4 or more laser scanners, as already mentioned, in step 402 the safety parameters of the scanners, the safety interlocks turn on in step 403 and their safety is validated in step 404. Subsequently, the magnetic safety switches 405 are energized and the switches on seat belt and cabin door 406 are validated and finally, the configuration of the security interface is validated from the communication interface 407.
  • Figure 5 shows the process of entering the user to the cabin, for which, first the robot 501 entry routine is executed, the door of cabin 502 is opened, the person approaches cabin 503 , the seat belt is closed in 5 steps 504, the cabin door 505 is closed, it is validated in the Security interface that the sensors are active 506 and the configuration of the security interface is validated from the communication interface 507 .

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Abstract

La presente invención se refiere a un sistema de simulador integral de vuelo que incluye un brazo robótico industrial que cuenta con seis ejes y un séptimo eje lineal servo controlados con capacidad de movimiento de hasta 360°, Dos cabinas de vuelo que cuentan con un software de simulación comercial, Un sistema de cambio rápido (Quick Changeover), que permite un cambio rápido de configuración entre cabinas de vuelo con el brazo robótico, lo cual permite la ejecución de movimientos con mayor libertad y flexibilidad, dando más realismo la simulación, por lo que tiene mayor aprovechamiento en simuladores para aviones de entrenamiento tácticos y acrobáticos.

Description

SIMULADOR DE VUELO ROBÓTICO TÁCTICO Y ACROBATICO
Campo de la invención
En la actualidad, en el sector de la aviación a nivel mundial se busca reducir tos accidentes aéreos que cada afio cobran cientos de victimas, tanto en la aviación comercial, ejecutiva o militar, sin contar las pérdidas materiales que ascienden a millones de dólares anuales, por lo que la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI), trabaja junto a tos 192 Estados miembros y a grupos de la Industria para alcanzar un consenso sobre las Normas y tos métodos recomendados (SARPs) para la aviación civil internacional y sobre políticas que hagan posible que el sector de la aviación civil sea operadonalmente seguro, eficiente, protegido, económicamente sostenible y amblentalmente responsable. Los Estados miembros de la OACI emplean estas SARPs y políticas para garantizar que sus operaciones y normas de aviación civil nacionales se ajusten a las normas mundiales, permitiendo a su vez la operación segura y confiable en la red mundial de aviación de más de 100.000 vuelos diarios en cada región del mundo.
A pesar de lo anterior, hasta el momento las estrategias más efectivas para incrementar tos márgenes de seguridad operacional, se han logrado por medio del entrenamiento al personal técnico aeronáutico, tanto en vuelo real como en vuelos simulados, para lo cual este último, emplea modernos y costosos simuladores de vuelo, que intentan repicar y emular todas las condiciones de un vuelo real, sin embargo éstos presentan muchas Imitaciones, tanto en sus sistemas de movimiento como en tos costos de operación y mantenimiento.
Con base a lo anterior y para mitigar tos riesgos operactonales es requerido que dentro de las estrategias se incluyan dispositivos y sistemas innovadores que permitan adiestrar las tripulaciones de vuelo de una manera más próxima a la realidad, y la integración de proyecto asi puede generar un alto grado de impacto al proporcionar tos elementos de instrucción y preparación de las mencionadas tripulaciones.
La presente invención se refiere a un sistema de procesos a través de programas de cómputo que hacen viable la comunicación entre un simulador de vuelo y un brazo robótico industrial para prever las 3 actividades aéreas. Militar, Privada y Comercial, el cual permite proporcionar a través de un sistema de cambio rápido (Quick Changeover) a diferentes plataformas de simulación (helicópteros, aeronaves ala fija, automóviles, etc.) movimientos de 4-360" asi como, movimiento lineal, obteniendo asi un simulador con capacidad de realizar maniobras tácticas y acrobáticas que permiten darle una aproximación al realismo de la simulación.
Las ventajas técnicas de la presente invención son su capacidad de movimiento en tres dimensiones, asi como su sistema integral de simulación móvil, lo que en la actualidad ningún simulador convencional en el mercado puede realizar, por lo que lo hace principalmente adecuado para el entrenamiento de aeronaves y móviles de alta performance como lo es la aviación militar, cuyas operaciones diarias implican llevar a cabo maniobras tácticas o acrobáticas complicadas que sólo se pueden llevar a cabo en adiestramiento de vuelo real, lo que implca riesgos tanto de pérdidas de vidas humanas como materiales.
En el caso de nuestro país, dentro del ámbito de la aviación militar, se percibe que los incidentes y accidentes son en su mayoría por error humano o Desorientación Espacial. En sus reportes oficiales, el Ejército atribuye la responsabilidad en 7 de cada 10 percances en promedio a fallas humanas, mientras que la minoría corresponde a problemas mecánicos o a malas condiciones meteorológicas.
La información de la SEDEÑA, revelada a través de una sofidtud de transparencia, ubica los primeros casos de aeronaves dadas de baja por accidentes entre 1984 y 1985. Los aparatos involucrados fueron principalmente helicópteros.
Pero es a partir de 1988 cuando los accidentes se volvieron una constante; no ha habido un afio en el que no se registre por lo menos la baja de algún aparato a causa de algún accidente aéreo. El peor afio hasta ahora fue el 2003 cuando se perdieron doce aeronaves, en promedio uno cada mes.*
Se puede observar que, según datos estadísticos, los accidentes e incidentes de aeronaves mlitares en México son regulares, con la implementadón de la presente invención se prevé un impacto en el adiestramiento de las tripulaciones aéreas y en el incremento de los márgenes de seguridad aérea y por consiguiente en la disminución de los accidentes e Incidentes aéreos, ya que permitirá simular los movimientos avanzados de la aviación táctica y acrobática, desde la seguridad de un simulador de vuelo.
En consecuencia, el impacto de la presente Invención para la aeronáutica, principalmente para las operaciones de la aviación militar y no sólo para las Fuerzas Armadas Mexicanas, sino para la aviación matar a nivel mundial, es muy alto ya que permitirá entrenar a las tripulaciones de vuelo en maniobras que sólo se pueden llevar a cabo en vuelos reales, permitiendo poder emular el movimiento y sensaciones de una aeronave de alta performance al llevar a cabo movimientos en tres dimensiones.
Lo anterior, permitirá al piloto en entrenamiento conocer los efectos fisiológicos de mencionadas maniobras, como es la desorientación espacial causa de una gran parte de los accidentes en este tipo de aviación táctica, y aprender a contrarrestar sus efectos desde la seguridad de un simulador de vuelo. Incrementando con ello los márgenes de seguridad a la hora de llevar a cabo operaciones reales y por consiguiente la disminución de los accidentes aéreos.
Actualmente los sistemas de simulación de vuelo utilizan cilindros hidráulicos los cuales son mecanismos que constan de un cilindro dentro del cual se desplaza un émbolo o pistón, y que transforma la presión de un liquido mayormente aceite en energía mecánica (también llamados motores hidráulicos lineales) son actuadores mecánicos que son usados para dar una fuerza a través de un recorrido lineal.
Los cilindros hidráulicos obtienen la energía de un fluido hidráulico presu rizado, que es típicamente algún tipo de aceite. El cilindro hidráulico consiste básicamente en dos piezas: un cilindro barril y un pistón o émbolo móvil conectado a un vástago. El cilindro barril está cerrado por los dos extremos, en uno está el fondo y en el otro, la cabeza por donde se introduce el pistón, que tiene una perforación por donde sale el vástago. El pistón divide el Interior del cilindro en dos cámaras: la cámara inferior y la cámara del vástago. La presión hidráulica actúa en el pistón para producir el movimiento lineal. Por otro lado, el documento US 9,230,448 B2 se refiere a un dispositivo simulador de vuelo para simular el comportamiento de vuelo de una aeronave. Sin embargo, (ficha Invención no cuenta con los grados de movimiento propuestos por la presente invención.
Adicionalmente, el documento DE 102012211190 A1 se refiere a un simulador de movimiento, sin embargo, dicho documento no revela el uso de sistemas de cambio rápido para el acopiamiento de la cabina de vuelo como se propone en la presente Invención.
Además el documento EP 997 176 A3 se refiere a un simulador de movimiento robotizado, en el cual se usa un brazo robótico industrial, sin embargo, dicho documento no revela ni sugiere el uso de sistemas de cambio rápido para el acoplamiento de la cabina de vuelo.
Sumario de la invención
La presente invención se refiere a un sistema de simulador de vuelo que incluye un brazo robótico industrial que cuenta con seis ejes servo controlados con capacidad de movimiento de hasta +-360º, y un séptimo eje lineal que trabajan Independientes, lo cual permite la ejecución de movimientos con mayor libertad y flexibilidad, por lo que tiene mayor aprovechamiento en simuladores para aviones de entrenamiento.
El robot propuesto tiene la ventaja de requerir mantenimiento preventivo hasta las 8700 horas de funcionamiento y mantenimiento mayor después de las 35000 horas. Adicionalmente, no requiere Instalaciones adicionales para que la cabina de vuelo llegue a nivel de piso debido a los grados de Hbertad proporcionados por los seis ejes del brazo robótico.
Adicionalmente, el centro de gravedad y equilibrio se puede configurar dependiendo del tipo de aeronave, por ejemplo, dependiendo de si es una aeronave de ala fija o de ala rotatoria.
Breve descripción de las figuras
La figura 1 muestra un diagrama de flujo del proceso principal del funcionamiento del simulador de vuelo robótico.
La figura 2 muestra un diagrama de flujo del proceso de encendido de cabina.
La figura 3 muestra un diagrama de flujo del proceso de encendido del robot.
La figura 4 muestra un diagrama de flujo del proceso de encendido de la interfaz de seguridad.
La figura 5 muestra un diagrama de flujo del proceso de Ingreso del usuario a la cabina.
La figura 6 Ilustra una vista general del sistema de simulador de vuelo robótico.
La figura 7 ilustra una vista a detalle del brazo robótico.
La figura 8 muestra una vista general del robot lineal.
La figura 9 muestra dos vistas de la cabina de vuelo.
La figura 10 muestra los componentes complementarios del sistema de simulador de vuelo robótico.
La figura 11 muestra vistas a detalle del sistema de cambio rápido.
La figura 12 muestra una vista superior del sistema de simulador de vuelo robótico.
La figura 13 muestra una vista lateral del sistema de simulador de vuelo robótico.
Descripción detallada de la Invención
La presente invención se refiere a un sistema integral de simulador de vuelo robótico mostrado en la figura 1, en la cual . se muestra de manera qjemplificativa que el sistema puede comprender un brazo robó tico industrial con seis ejes 1 servo controlados que tiene la capacidad de ser programado en diferentes rutinas que le permiten ejecutar diferentes aplicaciones en el entorno industrial, con respecto a la comunicación con el software de simulación de vuelo, el robot 1 cuenta con un programa hecho a la medida que le brindara la posibilidad de comunicarse con el software de Simulador de Vuelo. En su último eje, es decir, el sexto eje o grado de movimiento, también conocido como muheca o brida de la herramienta, se dispone que se acoplaré el sistema de cambio rápido "master" 12. el cual medente la inyección de aire, por ejemplo a 90 PSI, tiene la capacidad de activar o desactivar su mecanismo.
Este mecanismo será manipulado mediante el envío de salíales desde el programa del robot y desde la Interfaz de comunicación IRSM.
Además, el sistema cuenta con un seguido robot como séptimo eje, que proporciona movimientos y aceleraciones lineales, el cual permite los grados de movimiento necesarios para simular un vuelo en una aeronave, asi como movimientos tácticos y acrobáticos y que proporcionan movimientos controlados de más menos 360 grados de libertad.
En modalidades preferidas, el robot lineal 2 puede medir aproximadamente 7 metros, deberá ser de excelente estabilidad y resistencia a la contaminación ya que funciona silenciosamente y permite una distribución de cargas adecuada Incluso durante paradas de emergencia. Para este fin. Las gulas del robot lineal son encajadas con precisión en el módulo de viga soldada y cerrada. Asi mismo, el sistema permite que los rodillos del robot lineal sean ajustados desde el exterior.
Para conseguir el rendimiento del sistema, el robot lineal 2 es configurado con una planificación de movimiento integrada que considera todas las fuerzas dinámicas cuando se planifica la rota combinada para el robot y el movimiento de la pista, lo cual permite una excelente simulación del tiempo de ciclo, velocidad máxima y precisión de la ruta.
El módulo de robot lineal 2 puede ser acoplado a la base de robot por ejemplo, mediante protocolos de comunicación TCP/IP, el Industrial Ethemet/IP o cualquier otro protocolo disponible que permita la comunicación, por ejemplo, con una PC o una red de equipos de cómputo.
Dichos robots 1 y 2 funcionan de manera independiente, y realizan movimientos que permiten la libertad, flexibilidad, repetitividad y seguridad que el sistema requiere. Especialmente, se logra un aprovechamiento requerido para la simulación de vuelo de aviones y helicópteros que requieren entrenamiento militar. Sin embargo, el sistema de robot lineal responde de manera de esclavo o extensión al robot de 6 ejes que ya se ha descrito.
Adicionalmente, el sistema cuenta con por lo menos dos cabinas de vuelo intercambiables 3 y fl, las cuales incluyen, cada una todos los instrumentos de vuelo necesarios para el entrenamiento de por lo menos un tripulante de la aeronave, (fichas cabinas tendrán incorporado en su centro de gravedad el Sistema de Cambio Rápido 10 y 12 funcionando como esclavo del módulo Master Instalado en el brazo robótico y le permitirá ser acoplado a éste módulo cuando sea accionado mediante la Interfaz de comunicación IRSM. Además de las cabinas de vuelo intercambiables 3 y 9, el sistema cuenta con una cabina de vuelo de instructor 11, que permitirá el alojamiento de un instructor que podrá supervisar el desempeño del usuario que está siendo entrenado y que por lo tanto, contará con la instrumentación y elementos necesarios para este fin. El sistema cuenta con la capacidad de simular aeronaves de ala fija, tales como aviones o de ala rotativa, tales como helicópteros. Dicha cabina puede ser intercambiada de acuerdo con el tipo de aeronave en la cual se desea entrenar. Adicionalmente, gracias a la configuración de siete «jes, el sistema cuenta con un centro de gravedad y equilibrio configurable, que permite la simulación de diversas aeronaves usando el mismo equipo simulador. Inclusive, de ser necesario, la configuración de siete ejes puede adaptarse para simular cualquier otro tipo de vehículo, por ejemplo vehículos aéreos, marítimos y terrestres. Para este fin, el término cabina de vuelo se entenderé como el espacio destinado a los tripulantes del transporte, y estará adaptado en su instrumentación para cualquiera de estos fines, aun cuando el vehículo simulado no sea un vehículo aéreo. De esta manera, los términos cabina, cabina de vuelo, cabina de mando o cualquier otro similar existente en el argot del campo técnica podrán ser entendidos de manera equivalente por un técnico en la materia.
Además, el sistema cuenta con un sistema de cambio rápido 10 y 12 para acoplar y desacoplar las diversas cabinas de vuelo 3, 9 y que permite ocupar el mismo equipo para distintas aeronaves.
Por otro lado, el sistema Integra también un conjunto de interfeces. En primer lugar, la interfez de comunicación IRSM es una interfez de comunicación entre el software simulador de vuelo y el brazo robótico llamada IRSM-FFS, la cual permitirá la integración del simulador efe vuelo táctico y acrobático y que permitirá incrementar la seguridad y la efidenda del adiestramiento del usuario por medio de la actuación de sus 6 Serves (0*+-380*), en comparación con los que ya se encuentran en operadón en la actualidad.
Esta Interfaz permitirá al usuario manipular los elementos del sistema de una manera autónoma, de esta maneta Todo el Sistema es un elemento Interactivo en el cual llevara de la mano al usuario en el manejo autónomo del Sistema de Simulación otorgando una máxima seguridad en sus elementos, brindando un modo paso a paso de toda la experienda de simuladón de vuelo.
Esta interfaz además de funcionar como integrad or de todos los elementos de software (Software del Robot, Software de Simulación de Vuelo, Software de PC (Comunicación Vía Socket TCP-iP) Software de Seguridad, contiene los elementos visuales con los cuales podrá interactuar el usuario final.
A continuación se enlistan las fundones de la interfaz de comunicación IRSM.
Robotics Full Fliaht Motion - Fundones
Ventana 1 - Presentación.
1. Inkáaltzacton de X-Plane.
Ventana 2 - Conectlvidad.
2. Verificación de conectividad X-Plane, Interiocks de seguridad, conectlvidad del Robot.
3. •Start*.
Ventana 3 - Safetv Control Mnterlocksl
4. Verificación del escáner 1.
Figure imgf000008_0001
Es completamente claro para un técnico en la materia que la interfaz aquí descrita es únicamente ejemplificativa, por lo tanto, podrá y deberá ser modificada de acuerdo con las necesidades finales del usuario y del hardware instalado, ocupado o necesitado.
Por otro lado, el sistema cuenta con una Interfaz de seguridad por medio de la cual se configuran las diversas medktos de seguridad; denominada Interfaz de seguridad IRSM. La interfaz de Seguridad IRSM sirve para salvaguardar la integridad de cualquier persona asi como de las instalaciones. Está destinado a supervisar zonas peligrosas en las que se encontrara el Sistema de Simulación Robó tico en Operación.
La interfaz de Seguridad IRSM consta de por lo menos 4 escáneres láser de hasta 4 metros de alcance por 275* en su periferia que permiten la exploración de su entorno bktimensionalmente con haces láser infrarrojos. Sirve para vigilar zonas peligrosas próximas a las personas, máquinas o a los vehículos. Funciona siguiendo el principio de la medición del tiempo de propagación de la luz. Dicho sistema emite impulsos luminosos muy cortos (Impulsos de emisión). Simultáneamente se pone en marcha un“cronómetro electrónico'. Cuando la luz incide en un objeto, la luz es reflejada y recibida por el escáner láser de seguridad (impulsos de recepción). Asi se pueden conseguir resoluciones entre 30 mm y 150 mm . Gracias al principio de exploración activa, el escáner no requiere receptores externos ni reflectores. Ello aporta las siguientes ventajas: La instalación requiere menores costos y despliegue de medios. El usuario podrá adaptar fácilmente la zona supervisada a la zona peligrosa de una máquina. En comparación con los sensores táctiles, la exploración sin contacto no tiene prácticamente desgaste.
Además La interfaz de Seguridad IRSM integra interruptores de bloqueo de seguridad responden cuando se abre una protección mecánica. Los interruptores de tipo intertock cuentan con contactos de "acción positiva" para una alta confiabilidad, independtentemente de las condiciones ambientales y soportan los intentos de anular el interruptor y anular el sistema.
Adicionalmente, integra en la Cabina de Vuelo, Interruptores Magnéticos de Seguridad los cuales son sellados resisten agua, polvo y son más tolerantes a desalineamientos que los interruptores mecánicos. Estos interruptores estarán colocados por ejemplo, en Puertas y en el cinturón de 5 Puntos, con la finalidad de hacer la validación completa de todos los puntos de seguridad que Involucra la Interfaz de Seguridad IRSM.
Por otro lado, el sistema incorpora una interfaz de simulación que permite la manipulación del simulador de vuelo y la configuración del mismo; dicho simulador de vuelo, puede ser por ejemplo X- plañe ® producido por Laminar Research, Microsoft Flght Slmulator, o cualquier otro software de simulación personalizado o comercial que haya sido autorizado por ejemplo, para su uso con hardware especifico para el entrenamiento de pilotos de vuelo instrumental o que cumpla con los estándares requeridos por dicha institución siendo esta la Administración Federal de Aviación (FAA), es la autoridad nacional de aviación de los Estados Unidos que hace parte del Departamento de Transporte, tiene autoridad para reglamentar y supervisar todos los aspectos de la aviación civil estadounidense.
El propósito de este simulador es ofrecer una experiencia de vuelo lo más realista posible. Para ello, cuenta con una gama de aviones simulados, desde los más sencilos hasta los grandes reactores de linea y, además, una recreación del planeta tierra con sus accidentes geográficos y alrededor de 18.000 aeropuertos, aeródromos y helipuertos, asi como portaaviones en los que realizar sus prácticas de vuelo.
El realismo de la física de vuelo del simulador elegido deberá estar basado en la creación de un túnel de viento virtual alrededor del avión, consiguiendo así efectos parecidos a los reales. Además, el simulador deberá ofrecer editores para editar e incluso crear cualquier tipo de aeronaves (cazas, helicópteros, avionetas, etc.) además de perfiles alares. Además podría incluir un editor de escenarios, aunque también podría elegirse una herramienta de terceros para levar a cabo dicha tarea. El simulador podrá implementar un modelo aerodinámico llamado Teoría del elemento de pala. Tradicionalmente, los simuladores de vuelo emulan el rendimiento en el mundo real de una aeronave mediante el uso de Conocimiento empírico en una lookup tabie (tabla de consulta) predefinidas para determinar las fuerzas aerodinámicas como la sustentación o el arrastre, que varían según las diferentes condiciones de vuelo. Estos simuladores simulan suficientemente las características de vuelo de la aeronave, específicamente aqueles con datos aerodinámicos conocidos, pero no son útiles en el trabajo de diserto, y no predicen el rendimiento de la aeronave cuando las aftas reales no están disponibles.
Adicionalmente, el sistema comprenderá un conjunto de sistemas auxiliares, tales como un generador eléctrico 4 de capacidad suficiente, que sirve para mantener el sistema de vuelo móvil y autónomo, un tablero de transferencia 7 que sirve para poder recibir de manera autónoma energía de una fuente fga, un acondicionador eléctrico 6 que sirve para proteger todo el sistema eléctrico de problemas de picos de voltaje, variación de voltee, ruido de alta frecuencia, distorsión armónica, variación de factor de potencia, una plataforma móvi 8 y un tracto camión que servirán para transportar el sistema Integral de simulación de vuelo a cualquier lugar donde este sea requerido .
En el presente sistema, la cabina de vuelo es acoplada al brazo robó tico por medio del sistema de cambio rápido 10 y asegurada por el conjunto de interlocks de seguridad; de tal manera que la cabina puede cambiarse de manera segura de acuerdo con las necesidades de entrenamiento.
Por otro lado, el centro de gravedad y equilibrio es configurado por medio de la interfaz de simulación; la configuración del centro de gravedad y equilibrio depende del tipo de ala elegido para la interfez de simulación y del tipo de cabina acoplada al brazo robótlco. En este sentido, la cabina de vuelo puede ser una de un ala fija o un ala rotativa. Asi mismo, la interfez de simulación se puede configurar como un simulador de ala fija o de ala rotativa de manera congruente con el tipo de cabina acoplado.
Adicionalmente, el brazo robótico industrial comprende un séptimo eje, lo cual permitirá la simulación de movimientos lineales adicionales.
Para la realización del sistema, se requieren varios procesos que deberán ser ejecutados en los componentes del sistema, y que aprovechando dichos elementos realizarán un conjunto de pasos para alcanzar los objetivos del sistema.
En este sentido, la figura 1 muestra el proceso general del sistema simulador de vuelo 100, en dicho proceso, se realiza una validación del software de simulación de vuelo 101, la cual determina si es necesario encender la cabina 200 o si ésta ya se encuentra encendida, de estar encendida, se valida la conectividad en la red del robot 102, de no poderse validar, se realiza el proceso de encendido del robot 300, de estar validado, se realza una validación de la interfez de seguridad 103, la cual puede derivar en el encendido de la interfaz de seguridad 400, si esta no está encendida, ya que de estarlo se procede a la validación de la posición del usuario 104, de no encontrarse, se realizará el proceso de ingreso del usuario a cabina 500, si el usuario ya se encuentra en la cabina, se procede a cargar la Interfaz de tablero de vuelo (dashboard) 105. Este conjunto de etapas, junto con sus procesos auxiliares correspondientes, permiten la puesta a punto del sistema para que el usuario pueda comenzar a utilizar el simulador de vuelo.
Una vez cargada la interfez de usuario, el usuario podrá hacer dic en la fundón de liberar frenos 106, lo cual comprenderá una primera entrada de usuario al sistema, de esta manera, el sistema está configurado para redblr diversos tipos de entradas del usuario por medio de la interfez o por el Instrumental de la cabina. Una vez que se liberan los frenos, el sistema carga la interfez de simulación 108, y espera a que el usuario indique el inicio de la simulación 110 al hacer dic en el botón comenzar simulación 109. Ya que se ha iniciado la simulación el usuario puede activar la función de actitud espacial (Spatlal Attitude) 111a, una vez activada por el usuario, dicha función se ejecuta 112a. De lo contrario, si el usuario decide no activar esta función, el sistema realiza una selección de nivel, modo y orientación 112b.
Durante la simulación, el usuario también puede activar el paro de emergencia 111b, de hacerlo, la simulación se detiene 114. Adlclonalmente, el usuario podría decidir terminar la simulación 113 sin activar el paro de emergencia, k> cual también tendría como consecuencia el fin de la simulación 114.
Como se puede observar de loe párrafos anteriores, para la realización de la invención, se conciben, de manera ejempllfkatlva otros procesos auxiiares. Por ejemplo, la figura 2 ¡lustra el proceso de encendido de cabina 200, en el cual se realiza el encendido de una computadora personal, o cualquier otro dispositivo de cómputo que permita la ejecución del sistema 201 , esto permite que se energicen los paneles de instrumentación 202 y se valide la dirección de la IP de la cabina 203. Una vez encendida la cabina, el sistema podrá reconocer que está encendida por medio de las interfaces de comunicaciones.
Por otro lado, la figura 3 muestra el proceso de encendido del robot 300, el cual se realiza en etapas que comprenden: Encender el controlador 5 del robot de 6 ejes 301, posteriormente, la energ ización de los servo mecanismos 302 de dicho robot. A continuación se procede a encender el controlador del séptimo eje 303 y la energ ización del servo mecanismo del séptimo eje 304. Una vez realizado, se procede a validar las direcciones IP de los sistemas robótlcos 305. Ya que dicha validación sea exitosa, se vaida la presión de aire en las mangueras neumáticas 306 y en su caso, la validación del mecanismo de cambios rápidos de herramienta 307.
La figura 4 muestra el proceso de encendido de la interfaz de seguridad 400, en este proceso, se enciende el sistema de escáneres 401 , los cuales pueden ser 4 o más escáneres láser, como ya se ha mencionado, en el paso 402 se validan los parámetros de seguridad de los escáneres, los intertocks de seguridad se encienden en la etapa 403 y se valida su seguridad en la etapa 404. Posteriormente se energ izan los Interruptores magnéticos de seguridad 405 y se validan los Interruptores en cinturón y puerta de cabina 406 y finalmente, se valida la configuración de la interfaz de seguridad desde la interfaz de comunicación 407.
Por su parte, en la figura 5 se muestra el proceso de Ingreso del usuario a la cabina, para lo cual, primero se ejecuta la rutina de ingreso del robot 501, se abre la puerta de la cabina 502, la persona aborda la cabina 503, se cierra el cinturón de seguridad en 5 pasos 504, se cierra la puerta de cabina 505, se valida en la Interfaz de seguridad que los sensores se encuentren activos 506 y se valida la configuración de la interfaz de seguridad desde la interfaz de comunicación 507.
Para mejor referencia, a continuación se presenta una tabla de los elementos con su número de referencia correspondiente:
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Claims

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de simulador de vuelo robó tico que comprende:
un brazo robótico industrial con seis ejes servo controlados;
un Robot Lineal servo controlado de 7 metros
una cabina de vuelo;
un centro de gravedad y equiibrio configurable;
un sistema de cambio rápido;
una Interfaz de seguridad;
una interfaz de comunicación;
una interfaz de simulación;
un conjunto de interlocks de seguridad;
un generador eléctrico;
un controlador del brazo robótico;
un sistema de nivelación hidráulico;
un acondicionador eléctrico;
una plataforma de vuelo;
un tracto camión;
una cabina de instrucción;
un sistema de escáneres láser;
en donde la cabina de vuelo es acoplada al brazo robótico por medio del sistema de cambio rápido y asegurada por ei conjunto de interlocks de seguridad;
en donde el centro de gravedad y equilibrio es configurado por medio de la interfaz de simulación;
en donde la configuración del centro de gravedad y equilibrio depende del tipo de ala elegido para la interfaz de simulación y del tipo de cabina acoplada al brazo robótico.
2. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, en donde el brazo robótico Industrial comprende un séptimo eje.
3. El sistema de conformidad con la reivindicación 1 o 2, en donde la cabina de vuelo puede ser una de un ala f^a o un ala rotatoria.
4. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, en donde la interfaz de simulación se puede configurar como un simulador de ala fija o de ala rotatoria.
5. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, en donde el sistema de escáneres láser comprende cuatro escáneres láser de hasta 4 metros de alcance por 275*.
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