WO2024089313A1 - Rehabilitation robot with hybrid actuator for aquatic environments - Google Patents

Rehabilitation robot with hybrid actuator for aquatic environments Download PDF

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WO2024089313A1
WO2024089313A1 PCT/ES2023/070631 ES2023070631W WO2024089313A1 WO 2024089313 A1 WO2024089313 A1 WO 2024089313A1 ES 2023070631 W ES2023070631 W ES 2023070631W WO 2024089313 A1 WO2024089313 A1 WO 2024089313A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
water
rehabilitation robot
aquatic
hybrid actuator
drive means
Prior art date
Application number
PCT/ES2023/070631
Other languages
Spanish (es)
French (fr)
Inventor
Nicolás Manuel García Aracil
Jose Vicente GARCÍA PEREZ
Jesús ALVAREZ PASTOR
David MARTINEZ PASCUAL
Jose María CATALÁN ORTS
Andrea Blanco Ivorra
Luis Daniel Lledó Perez
Arturo Bertomeu Motos
Elias BELMONTE CERDÁN
Original Assignee
Universidad Miguel Hernández De Elche
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H9/00—Pneumatic or hydraulic massage
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements

Definitions

  • the purpose of this patent application is to protect a rehabilitation robot with at least one hybrid actuator for an aquatic environment with aquatic and electromechanical drive means, linked to at least one mechanical joint, incorporating notable innovations and advantages.
  • the invention falls within the sector of rehabilitation and care robotics and robotic manipulators fully or partially submerged in water.
  • patent EP0314014A1 discloses a hybrid robotic joint actuator that comprises an electric motor and a pneumatic motor forming a hybrid motor. Specifically, it presents a pneumatic rotor coupled to an electric rotor, arranged in a common stator housing.
  • the electric motor provides 10 to 20% of an actuator's rated continuous torque and the air motor provides up to 100% of the actuator's rated continuous torque.
  • a controller continuously adjusts the torque applied by the air motor so that the load on the electric motor is reduced to prevent overheating of the electric motor. During transient movement, The controller makes the difference between the torque of the air motor and the desired torque provided by the electric motor.
  • each active joint constitutes an exoskeletal robot, including a hybrid electro-pneumatic actuator, including a pneumatic air muscle and a cable to transmit the driving force of the air muscle to the joint.
  • a control device detects a magnitude of the driving force of the pneumatic muscle to the cable, and controls the driving force of the pneumatic muscle and the electric motor according to the detection result.
  • each active joint comprises an air muscle, an electric motor and a transmission to combine the first driving force of the air muscle and the second driving force of the electric motor to drive flexion and extension of the active joint.
  • the present invention has its first field of application in the rehabilitation assisted by robotic devices of people submerged in water.
  • the hybrid actuator is the actuation system for robotic devices that assist people in water rehabilitation therapies.
  • Another field of application of the present invention is the actuation systems of robotic manipulators immersed in water that are used in various applications.
  • the invention consists of a hybrid actuator applied to joints of robotic devices that are totally or partially submerged in water.
  • the hybrid actuator can be configured as a rotary actuator that provides torque by controlling the contribution of an electric motor and a set of micro water jets with controlled pressure and flow, distributed along the joint link.
  • the present invention allows the micro water jets to be oriented, distributed along the link, enabling configurations of jets arranged in opposition in order to provide antagonistic forces and contributions of positive and negative torques in the joint.
  • Said hybrid actuator can alternatively be configured as a linear actuator, providing a total force by controlling the contribution of the force provided by an electric motor that is transmitted to a mobile carriage that moves along a linear guide, and a set of micro water jets with pressure and flow controlled and distributed along the mobile carriage that moves along the linear guide.
  • the main advantages of said hybrid actuator as an actuator in joints of robotic devices, which are totally or partially submerged in water are: a) the use of the water in which they are totally or partially submerged as a means of providing torque in the articulation of the robotic device; b) the use of a lower power electric motor, since part of the torque is provided by the micro water jets; c) lower energy consumption due to the lower power of the electric motor and the reduced consumption of the micro water jet system; d) provides greater safety in the interaction with the environment or with the user by forming part of the joints of a robotic device totally or partially submerged in water.
  • the rehabilitation robot with at least one hybrid actuator for an aquatic environment comprises a mechanical joint which is a rotary joint with at least a first link and a second link rotatably connected to each other, so that the same rotation movement is achieved. the same torque, with lower electrical consumption, and with a lower power, more economical motor.
  • the mechanical joint is a linear joint with at least one base and a mobile carriage configured for linear displacement with respect to each other, so that, as in the rotary case, the same displacement effect is achieved with less consumption and being able to have an electric motor with lower power and price.
  • the hybrid actuator comprises a first position encoder of the mechanical joint, so that the degree of rotation of said joint with respect to a given origin can be established.
  • the electromechanical drive means are at least one electric motor, optionally being a gear motor, and preferably being covered and protected by a casing that provides the necessary sealing. In this way, electrical consumption is optimized to reach the desired torque and rotation speed depending on the application, being on the other hand specifically protected against water, given its placement in an aquatic environment.
  • the rehabilitation robot with at least one hybrid actuator comprises electromechanical orientation means for the pressurized water outlet, so that its position and orientation can be adjusted more precisely, for better coordination and synchronization of the forces of the assembly. of the actuator.
  • the electromechanical orientation means comprise at least one servomotor. In this way, the electromechanical orientation means have the ability to be located in any position within their operating range, and remain stable in said position.
  • the rehabilitation robot with at least one hybrid actuator comprises a second position encoder of the electromechanical orientation means that makes it possible to precisely determine its position and/or orientation.
  • the aquatic drive means comprise at least one flow pump with a water inlet, and channeling means towards at least one pressurized water outlet, so that it is possible to capture water from the aquatic environment. and push it in a specific direction to achieve a specific momentum.
  • the aquatic drive means comprise at least one solenoid valve for opening and/or closing the channeling means, in order to be able to regulate the water outlet more precisely and at will, and the generation of a motor impulse.
  • the rehabilitation robot with at least one hybrid actuator comprises a variable pressure flow pump, for a more precise regulation of the magnitude of the impulse it causes.
  • the rehabilitation robot with at least one hybrid actuator comprises at least a first pressurized water expulsion nozzle and a second pressurized water expulsion nozzle, both in substantially opposite directions, so that It becomes possible to use one or the other in order to choose the direction of the rotation torque on the joint.
  • the rehabilitation robot with at least one hybrid actuator comprises a first pressurized water expulsion nozzle and a second pressurized water expulsion nozzle, both facing each other at 180°, and one nozzle or the opposite can be activated for a pair. of rotation in one direction or the opposite.
  • the rehabilitation robot can be either an end-effector type robot, as can be seen in Figure 4, or an exoskeleton type, as seen in Figures 5A or 5B, for the rehabilitation of a user's upper or lower limb. .
  • it could also be a robotic manipulator partially or completely submerged in water, as seen in Figure 6.
  • the rehabilitation robot comprises at least one orthosis and/or at least one attachment to the user's body, for better attachment and maintenance in a correct position, without oscillations or looseness.
  • Figure 1A Perspective view of the rotary joint with the two links aligned, according to the present invention
  • Figure 1 B Perspective view of the rotary joint with one of the two links rotated, according to the present invention
  • Figure 1C Perspective view of the rotary joint with one of the two links rotated and an exploded casing, according to the present invention
  • FIG. 2- Perspective view of the rotary joint with the two links aligned and electromechanical orientation means, according to the present invention
  • FIG. 1 Perspective view of the linear joint, according to the present invention.
  • Figure 4- Perspective view of an end-effector rehabilitation robot actuated by rotary hybrid actuators, according to the present invention
  • Figure 5A Perspective view of a robotic exoskeleton for upper limb rehabilitation or assistance actuated by the rotating hybrid actuators, according to the present invention
  • Figure 5B Perspective view of a robotic exoskeleton for lower limb rehabilitation or assistance actuated by the rotating hybrid actuators, according to the present invention
  • FIG. 6- Perspective view of a robotic manipulator actuated by rotary hybrid actuators, according to the present invention.
  • Figure 8 Schematic view for the calculation of the torque provided by the propulsion generated by a water jet located at a distance from the center of rotation of the link, in accordance with the present invention
  • FIG. 9 Schematic view of the control means of the hybrid actuator, according to the present invention.
  • Figure 10- Schematic view of the means for controlling the propulsion generated by the water jets through the nozzles, according to the present invention
  • Figure 11- Schematic view of the means for controlling the propulsion generated by the water jets through the nozzles with individual flow and/or pressure control for each one, in accordance with the present invention
  • FIG. 12- Schematic view of the means for controlling the propulsion generated by the water jets through the adjustable nozzles by means of servomotors controlled by second encoders, in accordance with the present invention
  • Figure 1A you can see a perspective view of the mechanical joint (5), in particular a rotary joint (51), with the two links aligned (51a, 51b). You can also see the channeling means (23) with several outlets (25), specifically a first nozzle (25a) and a second nozzle (25b). Also seen are the electromechanical drive means (3) with an electric motor (31) that includes a first encoder (61) to control and monitor its position.
  • Figure 1 B you can see a perspective view of the same rotary joint (51) with one of the two links rotated, the second link (51b).
  • the channeling means (23) can be seen with a first nozzle (25a) and a second nozzle (25b), and the electromechanical drive means (3) with an electric motor (31) and its first encoder (61). .
  • Figure 1C you can see a perspective view of the rotary joint (51) with the second link (51b) rotated and an exploded housing (33).
  • the channeling means (23) can be seen with a first nozzle (25a) and a second nozzle (25b), and the electromechanical drive means (3) with an electric motor (31) and its first encoder (61). .
  • the hybrid actuator is capable of providing a torque through the controlled fusion of the forces provided by a electric motor (31) and a set of micro water jets with pressure and flow controlled through the nozzles (25a, 25b).
  • the micro water jets are arranged distributed along the second link (51b) and in configurations of jets arranged in opposition to provide antagonistic forces and therefore, contributions of positive and negative forces in the mechanical joint (5).
  • Figure 4 shows a perspective view of an end-effector rehabilitation robot actuated by rotating hybrid actuators, in an aquatic environment, that is, partially or completely submerged in water (1).
  • the channeling means (23) can be seen with at least one water outlet (25) (1) for the rotation of the first link (51a) and the second link (51b) relative to each other.
  • the presence of an orthosis (71) is also seen for a better rehabilitation function, fixing the patient's arm to the rehabilitation robot.
  • Figure 5A you can see a perspective view of a robotic exoskeleton for upper limb rehabilitation or assistance actuated by the rotating hybrid actuators, totally or partially submerged in water (1).
  • the presence of channeling means (23) for the water (1) can be seen for its expulsion through an outlet (25) to generate a rotation torque of the second link (51 b) on the first link (51 a).
  • HE It also sees the presence of a protective and watertight casing (33) that prevents the electric motor from coming into contact with water (31), and at least one support (72) for the arm of the patient or user.
  • FIG 5B you can see a perspective view of a robotic exoskeleton for lower limb rehabilitation or assistance actuated by the rotating hybrid actuators, totally or partially submerged in water (1). Also appreciated is the presence of channeling means (23) for the water (1) for its expulsion through an outlet (25) to generate a rotation torque of the second link (51 b) on the first link (51a), specifically by a first nozzle (25a), while the leg of the patient or user is fixed by at least one fastening (72).
  • Figure 6 a perspective view of a robotic manipulator actuated by rotating hybrid actuators can be seen, showing the channeling means (23) towards an outlet (25), facing the relative rotation of a first link (51a) on a second link (51 b).
  • Figure 6 shows the application of hybrid rotary actuators to the development of a general-purpose robotic manipulator.
  • T total T p+T e"T w"T d
  • Ttotai is the total torque applied to the second link joint (51b)
  • T p is the torque provided by the propulsion generated by the water jets (1) located along the second link (51b)
  • T e is the torque provided by the electric motor (31)
  • T w is the torque due to the weight of the second link itself (51b)
  • Td is the torque due to viscous forces (Note: the T character and the 'T character are used interchangeably)
  • Viscous forces are the result of the friction exerted by the viscosity of the fluid, that is, water (1), on the body. They are usually classified according to the effect on the body into: drag force and lifting force.
  • the torque due to the self-weight of the second link (51 b) T w can be calculated with:
  • the torque provided by the propulsion generated by the water jets (1) located along the second link (51 b) T p, can be calculated assuming a single propeller or outlet (25) as:
  • the propulsion force generated by a water jet (1) can be calculated as:
  • V xc p(H 2 O) x (V 2 ) / A p
  • F p is the propulsion force generated by a water jet
  • p(H 2 O) is the density of water
  • c is the velocity of water (1) at the exit of the propellant or outlet (25)
  • V is the volumetric flow
  • a p is the area of the propellant exit or outlet (25)
  • control means (32) calculate the torque T p that must be provided by the propulsion generated by the water jets (1) located along the second link (51 b) and the torque T e that must be provided.
  • the electric motor (31) The torque T p that provides the propulsion generated by the water jets (1) located antagonistically are controlled by controlling the flow and pressure using a flow pump (21) and a solenoid valve (22) for each of the outlets. (25) that generate the propulsion torque.
  • the torque T e provided by the electric motor (31) is regulated by the first encoder (61), controlled by the control means (32).
  • the hybrid actuator for aquatic environments comprises aquatic drive means (2) with at least one water inlet (24) (1) and at least one outlet (25) of pressurized water (1), electromechanical drive means (3), control means (32) of the aquatic drive means (2) and of the electromechanical drive means (3), where the means aquatic drive (2) and the electromechanical drive means (3) are linked to at least one mechanical joint (5).
  • the mechanical joint (5) is a rotary joint (51) with at least a first link (51a) and a second link (51b) rotatably connected to each other.
  • the mechanical joint (5) is a linear joint (52) with at least one base (52a) and a mobile carriage (52b) configured for linear displacement relative to each other.
  • the hybrid actuator comprises a first position encoder (61) of the mechanical joint (5).
  • the electromechanical drive means (3) are at least one electric motor (31).
  • the hybrid actuator comprises electromechanical orientation means (4) of the outlet (25) of pressurized water (1), which are preferably micro jets.
  • the electromechanical orientation means (4) comprise at least one servomotor (41).
  • the hybrid actuator comprises a second position encoder (62) of the electromechanical orientation means (4).
  • the aquatic drive means (2) comprise at least one flow pump (21) with a water inlet (24) (1 ), and channeling means (23) towards at least one outlet (25) of pressurized water (1).
  • the aquatic drive means (2) comprise at least one solenoid valve (22) for opening and/or closing the channeling means (23).
  • the hybrid actuator comprises a variable pressure flow pump (21).
  • the hybrid actuator comprises at least a first nozzle (25a) for expulsion of water (1) under pressure and a second nozzle (25b) for expulsion of water (1). under pressure, both in substantially opposite directions.
  • the hybrid actuator comprises a first nozzle (25a) for expulsion of water (1) under pressure and a second nozzle (25b) for expulsion of water (1 ) under pressure, both facing each other at 180°.
  • a rehabilitation robot that comprises at least one hybrid actuator for an aquatic environment.
  • the rehabilitation robot comprises at least one orthosis (71) and/or at least one attachment (72) to the user's body, optionally being an adjustable strap or similar.

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Abstract

The invention relates to a rehabilitation robot with a hybrid actuator for an aquatic environment, which includes aquatic propulsion means (2) with at least one inlet (24) for water (1) and at least one outlet (25) for water (1) at pressure, electromechanical propulsion means (3), and control means (32) of the aquatic propulsion means (2) and of the electromechanical propulsion means (3), wherein the aquatic propulsion means (2) and the electromechanical propulsion means (3) are joined to at least one mechanical joint (5), all this in order to provide a rehabilitation robot specially designed to operate in an aquatic environment, using the water (1) in the environment as a propulsion means.

Description

DESCRIPCIÓN DESCRIPTION
ROBOT DE REHABILITACIÓN CON ACTUADOR HÍBRIDO PARA MEDIO ACUÁTICO REHABILITATION ROBOT WITH HYBRID ACTUATOR FOR AQUATIC ENVIRONMENT
OBJETO DE LA INVENCIÓN OBJECT OF THE INVENTION
La presente solicitud de patente tiene por objeto proteger un robot de rehabilitación con al menos un actuador híbrido para medio acuático con medios de impulsión acuáticos y electromecánicos, unidos a al menos una articulación mecánica, incorporando notables innovaciones y ventajas. La invención se encuadra en el sector de la robótica de rehabilitación, asistencial y manipuladores robóticos sumergidos total o parcialmente en agua. The purpose of this patent application is to protect a rehabilitation robot with at least one hybrid actuator for an aquatic environment with aquatic and electromechanical drive means, linked to at least one mechanical joint, incorporating notable innovations and advantages. The invention falls within the sector of rehabilitation and care robotics and robotic manipulators fully or partially submerged in water.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN BACKGROUND OF THE INVENTION
Es objeto de investigación en el sector de la robótica el diseñar dispositivos que incluyan motores reductores eléctricos. A través de dichos actuadores se pueden controlar la posición, velocidad y par con un alto grado de exactitud. Otro tipo de actuadores utilizados son los hidráulicos y los neumáticos, los cuales utilizan aceite a presión y aire comprimido, respectivamente. Los sistemas neumáticos ofrecen la relación potencia- peso más baja, mientras que los sistemas hidráulicos tienen la relación potencia-peso más alta. Frente al uso de este tipo de actuadores, se han desarrollado diversos tipos de actuadores híbridos combinando dichas tecnologías con el objetivo de mejorar las ventajas del uso de este tipo de actuadores y minimizar las desventajas. It is the object of research in the robotics sector to design devices that include electric reduction motors. Through these actuators, position, speed and torque can be controlled with a high degree of accuracy. Another type of actuators used are hydraulic and pneumatic, which use pressurized oil and compressed air, respectively. Pneumatic systems offer the lowest power-to-weight ratio, while hydraulic systems have the highest power-to-weight ratio. Faced with the use of this type of actuators, various types of hybrid actuators have been developed combining these technologies with the aim of improving the advantages of the use of this type of actuators and minimizing the disadvantages.
Un documento ilustrativo de lo que es conocido en el estado de la técnica, sería lo descrito en la patente EP0314014A1 , que divulga un actuador de articulación robótica híbrida que comprende un motor eléctrico y un motor neumático conformando un motor híbrido. En concreto presenta un rotor neumático acoplado a un rotor eléctrico, dispuestos en una carcasa de estator común. El motor eléctrico proporciona del 10 al 20% del par continuo nominal de un actuador y el motor neumático proporciona hasta el 100% del par continuo nominal del actuador. Un controlador ajusta continuamente el par aplicado por el motor neumático de modo que la carga del motor eléctrico se reduzca para evitar el sobrecalentamiento del motor eléctrico. Durante el movimiento transitorio, el controlador hace que la diferencia entre el par del motor neumático y el par deseado sea proporcionada por el motor eléctrico. An illustrative document of what is known in the state of the art would be that described in patent EP0314014A1, which discloses a hybrid robotic joint actuator that comprises an electric motor and a pneumatic motor forming a hybrid motor. Specifically, it presents a pneumatic rotor coupled to an electric rotor, arranged in a common stator housing. The electric motor provides 10 to 20% of an actuator's rated continuous torque and the air motor provides up to 100% of the actuator's rated continuous torque. A controller continuously adjusts the torque applied by the air motor so that the load on the electric motor is reduced to prevent overheating of the electric motor. During transient movement, The controller makes the difference between the torque of the air motor and the desired torque provided by the electric motor.
Por otro lado es conocido, del estado de la técnica, lo descrito en la patente JP2014057628A, la cual divulga un robot de asistencia eléctrica con un actuador electroneumático híbrido capaz de lograr un control preciso, al tiempo que reduce el peso del robot de asistencia eléctrica. Mencionar que cada articulación activa constituye un robot exoesquelético, incluyendo un actuador electroneumático híbrido, incluyendo un músculo de aire neumático y un cable para transmitir la fuerza impulsora del músculo de aire a la articulación. Un dispositivo de control detecta una magnitud de la fuerza impulsora del músculo neumático al cable, y controla la fuerza impulsora del músculo neumático y del motor eléctrico de acuerdo con el resultado de la detección. Así, cada articulación activa comprende un músculo de aire, un motor eléctrico y una transmisión para combinar la primera fuerza motriz del músculo del aire y la segunda fuerza motriz del motor eléctrico para impulsar la flexión y extensión de la articulación activa. On the other hand, what is known from the state of the art is what is described in patent JP2014057628A, which discloses an electrically assisted robot with a hybrid electro-pneumatic actuator capable of achieving precise control, while reducing the weight of the electrically assisted robot. . Mention that each active joint constitutes an exoskeletal robot, including a hybrid electro-pneumatic actuator, including a pneumatic air muscle and a cable to transmit the driving force of the air muscle to the joint. A control device detects a magnitude of the driving force of the pneumatic muscle to the cable, and controls the driving force of the pneumatic muscle and the electric motor according to the detection result. Thus, each active joint comprises an air muscle, an electric motor and a transmission to combine the first driving force of the air muscle and the second driving force of the electric motor to drive flexion and extension of the active joint.
Así, y a la vista de todo lo anterior, se aprecia aún una necesidad de diseñar un robot de rehabilitación con un actuador híbrido especialmente diseñado para funcionar en un medio acuático, aprovechando incluso el agua como medio impulsor. Thus, and in view of all of the above, there is still a need to design a rehabilitation robot with a hybrid actuator specially designed to operate in an aquatic environment, even taking advantage of water as a driving medium.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN DESCRIPTION OF THE INVENTION
La presente invención tiene su primer campo de aplicación en la rehabilitación asistida por dispositivos robóticos de personas sumergidas en agua. El actuador híbrido es el sistema de actuación de los dispositivos robóticos que asisten a las personas en las terapias de rehabilitación en agua. Otro campo de aplicación de la presente invención son los sistemas de actuación de manipuladores robóticos sumergidos en agua que se utilicen en diversas aplicaciones. The present invention has its first field of application in the rehabilitation assisted by robotic devices of people submerged in water. The hybrid actuator is the actuation system for robotic devices that assist people in water rehabilitation therapies. Another field of application of the present invention is the actuation systems of robotic manipulators immersed in water that are used in various applications.
La invención consiste en un actuador híbrido aplicado a articulaciones de dispositivos robóticos que se encuentran sumergidos, total o parcialmente, en agua. El actuador híbrido puede configurarse como un actuador rotativo que proporciona un par controlando la aportación de un motor eléctrico y de un conjunto de micro chorros de agua con presión y caudal controlados, distribuidos a lo largo del eslabón de la articulación. Además, la presente invención permite orientar los micro chorros de agua, distribuidos a lo largo del eslabón, posibilitando configuraciones de chorros dispuestos en contraposición de cara a proporcionar fuerzas antagonistas y contribuciones de pares positivos y negativos en la articulación. The invention consists of a hybrid actuator applied to joints of robotic devices that are totally or partially submerged in water. The hybrid actuator can be configured as a rotary actuator that provides torque by controlling the contribution of an electric motor and a set of micro water jets with controlled pressure and flow, distributed along the joint link. Furthermore, the present invention allows the micro water jets to be oriented, distributed along the link, enabling configurations of jets arranged in opposition in order to provide antagonistic forces and contributions of positive and negative torques in the joint.
Dicho actuador híbrido puede configurarse alternativamente como actuador lineal, proporcionando una fuerza total controlando la aportación de la fuerza proporcionados por un motor eléctrico que se transmite a un carro móvil que se desplaza por una guía lineal, y un conjunto de micro chorros de agua con presión y caudal controlados y distribuidos a lo largo del carro móvil que se desplaza por la guía lineal. Said hybrid actuator can alternatively be configured as a linear actuator, providing a total force by controlling the contribution of the force provided by an electric motor that is transmitted to a mobile carriage that moves along a linear guide, and a set of micro water jets with pressure and flow controlled and distributed along the mobile carriage that moves along the linear guide.
Más en particular, el robot de rehabilitación que comprende al menos un actuador híbrido para medio acuático comprende medios de impulsión acuáticos con al menos una entrada de agua y al menos una salida de agua a presión, medios de impulsión electromecánicos, medios de control de los medios de impulsión acuáticos y de los medios de impulsión electromecánicos, en donde los medios de impulsión acuáticos y los medios de impulsión electromecánicos están unidos a al menos una articulación mecánica. More particularly, the rehabilitation robot comprising at least one hybrid actuator for an aquatic environment comprises aquatic drive means with at least one water inlet and at least one pressurized water outlet, electromechanical drive means, control means of the aquatic drive means and the electromechanical drive means, wherein the aquatic drive means and the electromechanical drive means are attached to at least one mechanical joint.
Las ventajas principales de dicho actuador híbrido como actuador en articulaciones de dispositivos robóticos, que se encuentran sumergidos total o parcialmente en agua, son: a) la utilización del agua en la que se encuentran sumergidos total o parcialmente como medio de aportación de par en la articulación del dispositivo robótico; b) la utilización de un motor eléctrico de menor potencia, ya que parte del par es proporcionado por los micro chorros de agua; c) menor consumo de energía debido a la menor potencia del motor eléctrico y el reducido consumo del sistema de micro chorros de agua; d) proporciona una mayor seguridad en la interacción con el entorno o con el usuario formando parte de las articulaciones de un dispositivo robótico sumergido total o parcialmente en agua. The main advantages of said hybrid actuator as an actuator in joints of robotic devices, which are totally or partially submerged in water, are: a) the use of the water in which they are totally or partially submerged as a means of providing torque in the articulation of the robotic device; b) the use of a lower power electric motor, since part of the torque is provided by the micro water jets; c) lower energy consumption due to the lower power of the electric motor and the reduced consumption of the micro water jet system; d) provides greater safety in the interaction with the environment or with the user by forming part of the joints of a robotic device totally or partially submerged in water.
Adicionalmente el robot de rehabilitación con al menos un actuador híbrido para medio acuático comprende una articulación mecánica la cual es una articulación rotativa con al menos un primer eslabón y un segundo eslabón unidos rotativamente entre sí, de manera que se consigue un mismo movimiento de rotación a un mismo par, con menor consumo eléctrico, y contando con un motor de menor potencia, y más económico. Alternativamente, la articulación mecánica es una articulación lineal con al menos una base y un carro móvil configurados para un desplazamiento lineal entre sí, de modo que, al igual que en el caso rotativo, se consigue el mismo efecto de desplazamiento con menor consumo y pudiendo contar con un motor eléctrico de menor potencia y precio. Additionally, the rehabilitation robot with at least one hybrid actuator for an aquatic environment comprises a mechanical joint which is a rotary joint with at least a first link and a second link rotatably connected to each other, so that the same rotation movement is achieved. the same torque, with lower electrical consumption, and with a lower power, more economical motor. Alternatively, the mechanical joint is a linear joint with at least one base and a mobile carriage configured for linear displacement with respect to each other, so that, as in the rotary case, the same displacement effect is achieved with less consumption and being able to have an electric motor with lower power and price.
Más específicamente, el actuador híbrido comprende un primer codificador de posición de la articulación mecánica, de modo que se puede establecer el grado de rotación de dicha articulación respecto de un origen determinado. More specifically, the hybrid actuator comprises a first position encoder of the mechanical joint, so that the degree of rotation of said joint with respect to a given origin can be established.
Cabe mencionar que los medios de impulsión electromecánicos son al menos un motor eléctrico, siendo opcionalmente un motorreductor, y estando preferiblemente cubierto y protegido por una carcasa que le proporciona la estanqueidad necesaria. De este modo se optimiza el consumo eléctrico para llegar al par y velocidad de rotación deseadas en función de la aplicación, estando por otra parte protegido en concreto frente al agua, dada su colocación en un entorno acuático. It is worth mentioning that the electromechanical drive means are at least one electric motor, optionally being a gear motor, and preferably being covered and protected by a casing that provides the necessary sealing. In this way, electrical consumption is optimized to reach the desired torque and rotation speed depending on the application, being on the other hand specifically protected against water, given its placement in an aquatic environment.
Ventajosamente, el robot de rehabilitación con al menos un actuador híbrido comprende medios de orientación electromecánicos de la salida de agua a presión, de manera que se puede ajustar con mayor precisión su posición y orientación, para una mejor coordinación y sincronización de las fuerzas del conjunto del actuador. Advantageously, the rehabilitation robot with at least one hybrid actuator comprises electromechanical orientation means for the pressurized water outlet, so that its position and orientation can be adjusted more precisely, for better coordination and synchronization of the forces of the assembly. of the actuator.
En una realización preferida de la invención, los medios de orientación electromecánicos comprenden al menos un servomotor. De este modo los medios de orientación electromecánicos presentan la capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de operación, y mantenerse estable en dicha posición. In a preferred embodiment of the invention, the electromechanical orientation means comprise at least one servomotor. In this way, the electromechanical orientation means have the ability to be located in any position within their operating range, and remain stable in said position.
Complementariamente, el robot de rehabilitación con al menos un actuador híbrido comprende un segundo codificador de posición de los medios de orientación electromecánicos que hace posible determinar con precisión su posición y/o orientación. Additionally, the rehabilitation robot with at least one hybrid actuator comprises a second position encoder of the electromechanical orientation means that makes it possible to precisely determine its position and/or orientation.
Según otro aspecto de la invención, los medios de impulsión acuáticos comprenden al menos una bomba de caudal con una entrada de agua, y medios de canalización hacia al menos una salida de agua a presión, de manera que es posible captar el agua del medio acuático e impulsarla en una dirección concreta para lograr un impulso determinado. Más concretamente, los medios de impulsión acuáticos comprenden al menos una electroválvula de apertura y/o cierre de los medios de canalización, de cara a poder regular con mayor precisión y a voluntad la salida de agua, y la generación de un impulso motriz. According to another aspect of the invention, the aquatic drive means comprise at least one flow pump with a water inlet, and channeling means towards at least one pressurized water outlet, so that it is possible to capture water from the aquatic environment. and push it in a specific direction to achieve a specific momentum. More specifically, the aquatic drive means comprise at least one solenoid valve for opening and/or closing the channeling means, in order to be able to regulate the water outlet more precisely and at will, and the generation of a motor impulse.
Opcionalmente el robot de rehabilitación con al menos un actuador híbrido comprende una bomba de caudal de presión variable, para una regulación más precisa de la magnitud del impulso que provoca. Optionally, the rehabilitation robot with at least one hybrid actuator comprises a variable pressure flow pump, for a more precise regulation of the magnitude of the impulse it causes.
Según una realización preferente de la invención, el robot de rehabilitación con al menos un actuador híbrido comprende al menos una primera boquilla de expulsión de agua a presión y una segunda boquilla de expulsión de agua a presión, ambas en dirección sustancialmente opuesta, de modo que se hace posible la utilización de una u otra de cara a elegir el sentido del par de rotación sobre la articulación. According to a preferred embodiment of the invention, the rehabilitation robot with at least one hybrid actuator comprises at least a first pressurized water expulsion nozzle and a second pressurized water expulsion nozzle, both in substantially opposite directions, so that It becomes possible to use one or the other in order to choose the direction of the rotation torque on the joint.
Más específicamente, el robot de rehabilitación con al menos un actuador híbrido comprende una primera boquilla de expulsión de agua a presión y una segunda boquilla de expulsión de agua a presión, ambas enfrentadas a 180°, pudiendo activar una boquilla o la contraria para un par de rotación en un sentido o en su contrario. More specifically, the rehabilitation robot with at least one hybrid actuator comprises a first pressurized water expulsion nozzle and a second pressurized water expulsion nozzle, both facing each other at 180°, and one nozzle or the opposite can be activated for a pair. of rotation in one direction or the opposite.
El robot de rehabilitación puede ser bien un robot de tipo efector final, como se puede apreciar en la figura 4, o bien de tipo exoesqueleto, como se ve en las figuras 5A o 5B, para la rehabilitación de miembro superior o inferior de un usuario. Alternativamente podría ser también un manipulador robótico sumergido parcial o totalmente en agua, como se aprecia en la figura 6. The rehabilitation robot can be either an end-effector type robot, as can be seen in Figure 4, or an exoskeleton type, as seen in Figures 5A or 5B, for the rehabilitation of a user's upper or lower limb. . Alternatively, it could also be a robotic manipulator partially or completely submerged in water, as seen in Figure 6.
Adicionalmente, el robot de rehabilitación comprende al menos una órtesis y/o al menos una sujeción al cuerpo del usuario, para su mejor acople y mantenimiento en una posición correcta, sin oscilaciones ni holguras. Additionally, the rehabilitation robot comprises at least one orthosis and/or at least one attachment to the user's body, for better attachment and maintenance in a correct position, without oscillations or looseness.
En los dibujos adjuntos se muestra, a título de ejemplo no limitativo, un robot de rehabilitación con un actuador híbrido para medio acuático, constituido de acuerdo con la invención. Otras características y ventajas de dicho robot de rehabilitación con actuador híbrido para medio acuático, objeto de la presente invención, resultarán evidentes a partir de la descripción de una realización preferida, pero no exclusiva, que se ¡lustra a modo de ejemplo no limitativo en los dibujos que se acompañan. The attached drawings show, as a non-limiting example, a rehabilitation robot with a hybrid actuator for an aquatic environment, constituted in accordance with the invention. Other characteristics and advantages of said rehabilitation robot with hybrid actuator for an aquatic environment, object of the present invention, will be evident from the description of a preferred, but not exclusive, embodiment, which is illustrated by way of non-limiting example in the accompanying drawings.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Figura 1A- Vista en perspectiva de la articulación rotativa con los dos eslabones alineados, de acuerdo con la presente invención; Figure 1A- Perspective view of the rotary joint with the two links aligned, according to the present invention;
Figura 1 B- Vista en perspectiva de la articulación rotativa con uno de los dos eslabones rotado, de acuerdo con la presente invención; Figure 1 B- Perspective view of the rotary joint with one of the two links rotated, according to the present invention;
Figura 1C- Vista en perspectiva de la articulación rotativa con uno de los dos eslabones rotado y una carcasa en despiece, de acuerdo con la presente invención; Figure 1C- Perspective view of the rotary joint with one of the two links rotated and an exploded casing, according to the present invention;
Figura 2- Vista en perspectiva de la articulación rotativa con los dos eslabones alineados y medios de orientación electromecánicos, de acuerdo con la presente invención;Figure 2- Perspective view of the rotary joint with the two links aligned and electromechanical orientation means, according to the present invention;
Figura 3- Vista en perspectiva de la articulación lineal, de acuerdo con la presente invención; Figure 3- Perspective view of the linear joint, according to the present invention;
Figura 4- Vista en perspectiva de un robot de rehabilitación de efector final actuado por actuadores híbridos rotativos, de acuerdo con la presente invención; Figure 4- Perspective view of an end-effector rehabilitation robot actuated by rotary hybrid actuators, according to the present invention;
Figura 5A- Vista en perspectiva de un exoesqueleto robótico de rehabilitación o asistencia de miembro superior actuado por los actuadores híbridos rotativos, de acuerdo con la presente invención; Figure 5A- Perspective view of a robotic exoskeleton for upper limb rehabilitation or assistance actuated by the rotating hybrid actuators, according to the present invention;
Figura 5B- Vista en perspectiva de un exoesqueleto robótico de rehabilitación o asistencia de miembro inferior actuado por los actuadores híbridos rotativos, de acuerdo con la presente invención; Figure 5B- Perspective view of a robotic exoskeleton for lower limb rehabilitation or assistance actuated by the rotating hybrid actuators, according to the present invention;
Figura 6- Vista en perspectiva de un manipulador robótico actuado por actuadores híbridos rotativos, de acuerdo con la presente invención; Figure 6- Perspective view of a robotic manipulator actuated by rotary hybrid actuators, according to the present invention;
Figura 7- Vista de un esquema para el cálculo del par debido al peso del eslabón, de acuerdo con la presente invención; Figure 7- View of a scheme for calculating the torque due to the weight of the link, according to the present invention;
Figura 8- Vista en esquema para el cálculo del par proporcionado por la propulsión generada por un chorro de agua localizado a una distancia del centro de rotación del eslabón, de acuerdo con la presente invención; Figure 8- Schematic view for the calculation of the torque provided by the propulsion generated by a water jet located at a distance from the center of rotation of the link, in accordance with the present invention;
Figura 9- Vista en esquema de los medios de control del actuador híbrido, de acuerdo con la presente invención; Figure 9- Schematic view of the control means of the hybrid actuator, according to the present invention;
Figura 10- Vista en esquema de los medios de control de la propulsión generada por los chorros de agua a través de las boquillas, de acuerdo con la presente invención; Figura 11- Vista en esquema de los medios de control de la propulsión generada por los chorros de agua a través de las boquillas con control de caudal y/o presión individual para cada una, de acuerdo con la presente invención; Figure 10- Schematic view of the means for controlling the propulsion generated by the water jets through the nozzles, according to the present invention; Figure 11- Schematic view of the means for controlling the propulsion generated by the water jets through the nozzles with individual flow and/or pressure control for each one, in accordance with the present invention;
Figura 12- Vista en esquema de los medios de control de la propulsión generada por los chorros de agua a través de las boquillas orientables mediante servomotores controlados por segundos codificadores, de acuerdo con la presente invención; Figure 12- Schematic view of the means for controlling the propulsion generated by the water jets through the adjustable nozzles by means of servomotors controlled by second encoders, in accordance with the present invention;
DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERENTE DESCRIPTION OF A PREFERRED EMBODIMENT
A la vista de las mencionadas figuras y, de acuerdo con la numeración adoptada, se puede observar en ellas un ejemplo de realización preferente de la invención, comprendiendo las partes y elementos que se indican y describen en detalle a continuación. In view of the aforementioned figures and, in accordance with the numbering adopted, an example of a preferred embodiment of the invention can be observed, comprising the parts and elements indicated and described in detail below.
En la figura 1A se puede observar una vista en perspectiva de la articulación mecánica (5), en particular una articulación rotativa (51), con los dos eslabones alineados (51a, 51b). Se puede apreciar también los medios de canalización (23) con vahas salidas (25), en concreto una primera boquilla (25a) y una segunda boquilla (25b). También se ven los medios de impulsión electromecánicos (3) con un motor eléctrico (31) que incluye un primer codificador (61) para controlar y monitohzar su posición. In Figure 1A you can see a perspective view of the mechanical joint (5), in particular a rotary joint (51), with the two links aligned (51a, 51b). You can also see the channeling means (23) with several outlets (25), specifically a first nozzle (25a) and a second nozzle (25b). Also seen are the electromechanical drive means (3) with an electric motor (31) that includes a first encoder (61) to control and monitor its position.
En la figura 1 B se puede observar una vista en perspectiva de la misma articulación rotativa (51) con uno de los dos eslabones rotado, el segundo eslabón (51b). De igual modo se aprecian los medios de canalización (23) con una primera boquilla (25a) y una segunda boquilla (25b), y los medios de impulsión electromecánicos (3) con un motor eléctrico (31) y su primer codificador (61). In Figure 1 B you can see a perspective view of the same rotary joint (51) with one of the two links rotated, the second link (51b). Likewise, the channeling means (23) can be seen with a first nozzle (25a) and a second nozzle (25b), and the electromechanical drive means (3) with an electric motor (31) and its first encoder (61). .
En la figura 1C se puede observar una vista en perspectiva de la articulación rotativa (51) con el segundo eslabón (51b) rotado y una carcasa (33) en despiece. De igual modo se aprecian los medios de canalización (23) con una primera boquilla (25a) y una segunda boquilla (25b), y los medios de impulsión electromecánicos (3) con un motor eléctrico (31) y su primer codificador (61). In Figure 1C you can see a perspective view of the rotary joint (51) with the second link (51b) rotated and an exploded housing (33). Likewise, the channeling means (23) can be seen with a first nozzle (25a) and a second nozzle (25b), and the electromechanical drive means (3) with an electric motor (31) and its first encoder (61). .
En dichas figuras 1A, 1 B y 1C se puede apreciar cómo el actuador híbrido es capaz de proporcionar un par mediante la fusión controlada de las fuerzas proporcionadas por un motor eléctrico (31) y un conjunto de micro chorros de agua con presión y caudal controlados a través de las boquillas (25a, 25b). Los micro chorros de agua se disponen distribuidos a lo largo del segundo eslabón (51b) y en configuraciones de chorros dispuestos en contraposición para proporcionar fuerzas antagonistas y por tanto, contribuciones de fuerzas positivas y negativas en la articulación mecánica (5). In said figures 1A, 1B and 1C you can see how the hybrid actuator is capable of providing a torque through the controlled fusion of the forces provided by a electric motor (31) and a set of micro water jets with pressure and flow controlled through the nozzles (25a, 25b). The micro water jets are arranged distributed along the second link (51b) and in configurations of jets arranged in opposition to provide antagonistic forces and therefore, contributions of positive and negative forces in the mechanical joint (5).
En la figura 2 se puede observar una vista en perspectiva de la articulación rotativa (51) con los dos eslabones (51a, 51 b) alineados y medios de orientación electromecánicos (4) que comprende al menos un servomotor (41) y un segundo codificador (62) para el control de la posición y orientación de las salidas (25) de agua, en concreto la primera boquilla (25a) y la segunda boquilla (25b). De este modo se llega a una configuración del actuador híbrido rotativo en la cual los micro chorros de agua son orientadles y regulables. In Figure 2 you can see a perspective view of the rotary joint (51) with the two links (51a, 51 b) aligned and electromechanical orientation means (4) that comprises at least one servomotor (41) and a second encoder (62) for controlling the position and orientation of the water outlets (25), specifically the first nozzle (25a) and the second nozzle (25b). In this way, a configuration of the rotary hybrid actuator is reached in which the micro water jets are orientable and adjustable.
En la figura 3 se puede observar una vista en perspectiva de la articulación lineal (52) con la base (52a) y el carro (52b), incluyendo asimismo unos medios de canalización (23) del agua, que terminan en unas salidas (25), en concreto en una primera boquilla (25a) y una segunda boquilla (25b) que originan la propulsión. Se aprecian también medios de impulsión electromecánicos (3) con su motor eléctrico (31), siendo este en particular un motorreductor eléctrico con un primer codificador (61). Señalar que la base (52a) hace un papel de guía lineal del carro (52b). In Figure 3 you can see a perspective view of the linear joint (52) with the base (52a) and the carriage (52b), also including water channeling means (23), which end in outlets (25). ), specifically in a first nozzle (25a) and a second nozzle (25b) that cause the propulsion. Electromechanical drive means (3) with its electric motor (31) are also seen, this being in particular an electric gear motor with a first encoder (61). Note that the base (52a) acts as a linear guide for the carriage (52b).
En la figura 4 se puede observar una vista en perspectiva de un robot de rehabilitación de efector final actuado por actuadores híbridos rotativos, en un medio acuático, es decir, sumergido parcial o totalmente en agua (1). Se pueden apreciar los medios de canalización (23) con al menos una salida (25) de agua (1) para la rotación entre sí del primer eslabón (51a) y del segundo eslabón (51b). Se ve también la presencia de una órtesis (71) para una mejor función de rehabilitación, fijando el brazo del paciente al robot de rehabilitación. Figure 4 shows a perspective view of an end-effector rehabilitation robot actuated by rotating hybrid actuators, in an aquatic environment, that is, partially or completely submerged in water (1). The channeling means (23) can be seen with at least one water outlet (25) (1) for the rotation of the first link (51a) and the second link (51b) relative to each other. The presence of an orthosis (71) is also seen for a better rehabilitation function, fixing the patient's arm to the rehabilitation robot.
En la figura 5A se puede observar una vista en perspectiva de un exoesqueleto robótico de rehabilitación o asistencia de miembro superior actuado por los actuadores híbridos rotativos, sumergido total o parcialmente en agua (1). Se aprecia la presencia de unos medios de canalización (23) del agua (1) de cara a su expulsión por una salida (25) para originar un par de rotación del segundo eslabón (51 b) sobre el primer eslabón (51 a). Se ve asimismo la presencia de una carcasa (33) protectora y estanca que evita que el motor eléctrico entre en contacto con el agua (31), y de al menos una sujeción (72) del brazo del paciente o usuario. In Figure 5A you can see a perspective view of a robotic exoskeleton for upper limb rehabilitation or assistance actuated by the rotating hybrid actuators, totally or partially submerged in water (1). The presence of channeling means (23) for the water (1) can be seen for its expulsion through an outlet (25) to generate a rotation torque of the second link (51 b) on the first link (51 a). HE It also sees the presence of a protective and watertight casing (33) that prevents the electric motor from coming into contact with water (31), and at least one support (72) for the arm of the patient or user.
En la figura 5B se puede observar una vista en perspectiva de un exoesqueleto robótico de rehabilitación o asistencia de miembro inferior actuado por los actuadores híbridos rotativos, sumergido total o parcialmente en agua (1). Se aprecia también la presencia de unos medios de canalización (23) del agua (1) de cara a su expulsión por una salida (25) para originar un par de rotación del segundo eslabón (51 b) sobre el primer eslabón (51a), en concreto por una primera boquilla (25a), al tiempo que la pierna del paciente o usuario queda fijada por al menos una sujeción (72). In Figure 5B you can see a perspective view of a robotic exoskeleton for lower limb rehabilitation or assistance actuated by the rotating hybrid actuators, totally or partially submerged in water (1). Also appreciated is the presence of channeling means (23) for the water (1) for its expulsion through an outlet (25) to generate a rotation torque of the second link (51 b) on the first link (51a), specifically by a first nozzle (25a), while the leg of the patient or user is fixed by at least one fastening (72).
En la figura 6 se puede observar una vista en perspectiva de un manipulador robótico actuado por actuadores híbridos rotativos, mostrando los medios de canalización (23) hacia una salida (25), de cara a la rotación relativa de un primer eslabón (51a) sobre un segundo eslabón (51 b). En dicha figura 6 se muestra la aplicación de los actuadores híbridos rotativos al desarrollo de un manipulador robótico de propósito general. In Figure 6, a perspective view of a robotic manipulator actuated by rotating hybrid actuators can be seen, showing the channeling means (23) towards an outlet (25), facing the relative rotation of a first link (51a) on a second link (51 b). Figure 6 shows the application of hybrid rotary actuators to the development of a general-purpose robotic manipulator.
En la figura 7 se puede observar una vista de un esquema para el cálculo del par debido al peso del segundo eslabón (51 b), en conjunción con la fuerza originada por el agua (1) al ser expulsada por la salida (25). In Figure 7 you can see a view of a scheme for calculating the torque due to the weight of the second link (51 b), in conjunction with the force caused by the water (1) when it is expelled from the outlet (25).
Considerando el caso del actuador híbrido aplicado a una articulación rotativa produce un movimiento rotativo en un segundo eslabón (51b) de aluminio de longitud L sumergido total o parcialmente en agua (1). La ecuación que describe el par total aplicado al segundo eslabón (51b) por el actuador híbrido es: Considering the case of the hybrid actuator applied to a rotary joint, it produces a rotary movement in a second aluminum link (51b) of length L totally or partially submerged in water (1). The equation that describes the total torque applied to the second link (51b) by the hybrid actuator is:
T total=T p+T e"T w"T d donde: T total = T p+T e"T w"T d where:
Ttotai es el par total aplicado a la articulación del segundo eslabón (51b) Ttotai is the total torque applied to the second link joint (51b)
Tp es el par proporcionado por la propulsión generada por los chorros de agua (1) localizados a lo largo del segundo eslabón (51b) T p is the torque provided by the propulsion generated by the water jets (1) located along the second link (51b)
Te es el par proporcionado por el motor eléctrico (31) T e is the torque provided by the electric motor (31)
Tw es el par debido al peso del propio segundo eslabón (51b) T w is the torque due to the weight of the second link itself (51b)
Td es el par debido a las fuerzas viscosas (Nota: el carácter T y el carácter ‘T se usa indistintamente) Td is the torque due to viscous forces (Note: the T character and the 'T character are used interchangeably)
Las fuerzas viscosas son el resultado de la fricción que ejerce la viscosidad del fluido, es decir del agua (1), sobre el cuerpo. Se suelen clasificar según el efecto sobre el cuerpo en: fuerza de arrastre y fuerza de sustentación. Viscous forces are the result of the friction exerted by the viscosity of the fluid, that is, water (1), on the body. They are usually classified according to the effect on the body into: drag force and lifting force.
El par debido al propio peso del segundo eslabón (51 b) Tw se puede calcular con: The torque due to the self-weight of the second link (51 b) T w can be calculated with:
Tw=rCM x mesial x g x sin p donde: rciv posición del centro de masas del eslabón respecto al centro de rotación del segundo eslabón (51b) mesiabón masa del eslabón g constante de gravitación universal T w = r C M
Como p= 90°-a, la ecuación se puede expresar como: Since p= 90°-a, the equation can be expressed as:
Tw — rCM’X mbarra’X g*X COS C( Tw — r C M'X mbarra'X g*X COS C(
El par proporcionado por la propulsión generada por los chorros de agua (1) localizados a lo largo del segundo eslabón (51 b) T p, se puede calcular suponiendo un solo propulsor o salida (25) como: The torque provided by the propulsion generated by the water jets (1) located along the second link (51 b) T p, can be calculated assuming a single propeller or outlet (25) as:
Tp - Fpi x-rp donde: T p - F pi xr p where:
FPi la componente perpendicular al segundo eslabón (51b) de la fuerza de propulsión generada por un chorro de agua (1) Fp rp posición del chorro de agua respecto al centro de rotación del segundo eslabón (51b) F Pi the component perpendicular to the second link (51b) of the propulsion force generated by a water jet (1) F p r p position of the water jet with respect to the center of rotation of the second link (51b)
La fuerza de propulsión generada por un chorro de agua (1) se puede calcular como: The propulsion force generated by a water jet (1) can be calculated as:
Fp = m x c = p(H2O) x V x c = p(H2O) x (V2) / Ap donde: Fp es la fuerza de propulsión generada por un chorro de agua (1) p(H2O) es la densidad del agua (1) c es la velocidad del agua (1) a la salida del propulsor o salida (25) V es el caudal volumétrico F p = mxc = p(H 2 O) x V xc = p(H 2 O) x (V 2 ) / A p where: F p is the propulsion force generated by a water jet (1) p(H 2 O) is the density of water (1) c is the velocity of water (1) at the exit of the propellant or outlet (25) V is the volumetric flow
Ap es el área de salida del propulsor o salida (25) A p is the area of the propellant exit or outlet (25)
En la figura 8 se puede observar una vista en esquema para el cálculo del par proporcionado por la propulsión generada por un chorro de agua (1) por una salida (25) localizada a una distancia del centro de rotación del segundo eslabón (51b). In Figure 8 you can see a schematic view for the calculation of the torque provided by the propulsion generated by a water jet (1) through an outlet (25) located at a distance from the center of rotation of the second link (51b).
En la figura 9 se puede observar una vista en esquema de los medios de control (32) del actuador híbrido, aplicado a una articulación rotativa (51), y su interacción con las variables de las ecuaciones señaladas anteriormente. En concreto el par deseado total (Tdeseado) a aplicar a la articulación rotativa es la combinación lineal de las contribuciones del par proporcionado por la propulsión generada por los chorros de agua (1) (Tp) y el par proporcionado por el motor eléctrico (31) (Te). La dinámica más lenta de la propulsión generada por los chorros de agua (1) es compensada por la dinámica más rápida del motor eléctrico (31). Además, el actuador puede controlarse en posición o velocidad con un esquema de control similar y traduciendo las consignas a un par deseado total en la articulación mecánica (5). In Figure 9 you can see a schematic view of the control means (32) of the hybrid actuator, applied to a rotary joint (51), and its interaction with the variables of the equations indicated above. Specifically, the total desired torque (Tdesired) to be applied to the rotary joint is the linear combination of the contributions of the torque provided by the propulsion generated by the water jets (1) (T p ) and the torque provided by the electric motor ( 31) (Te). The slower dynamics of the propulsion generated by the water jets (1) are compensated by the faster dynamics of the electric motor (31). Furthermore, the actuator can be controlled in position or speed with a similar control scheme and translating the commands into a total desired torque in the mechanical joint (5).
En la figura 10 se puede observar una vista en esquema de los medios de control (32) de la propulsión generada por los chorros de agua (1) a través de las boquillas (25a, 25b). Se aprecia la presencia en los medios de impulsión acuáticos (2) de una bomba de caudal (21) con una entrada (24) de captación de agua (1) y una electroválvula (22) a continuación para la regulación y/o interrupción del flujo de agua (1) hacia la salida (25), todo ello regulado por los medios de control (32). Se ve también la posición de los medios de impulsión electromecánicos (3), y en concreto, del motor eléctrico (31). In Figure 10 you can see a schematic view of the control means (32) of the propulsion generated by the water jets (1) through the nozzles (25a, 25b). The presence in the aquatic drive means (2) of a flow pump (21) with an inlet (24) for collecting water (1) and a solenoid valve (22) below for the regulation and/or interruption of the flow can be seen. water flow (1) towards the outlet (25), all regulated by the control means (32). You can also see the position of the electromechanical drive means (3), and specifically, the electric motor (31).
Cabe señalar que los medios de control (32) realizan el cálculo del par Tp que debe proporcionar la propulsión generada por los chorros de agua (1) localizados a lo largo del segundo eslabón (51 b) y el par Te que debe proporcionar el motor eléctrico (31). El par Tp que proporciona la propulsión generada por los chorros de agua (1) situados de forma antagonista se controlan mediante el control del caudal y presión mediante una bomba de caudal (21) y una electroválvula (22) por cada una de las salidas (25) que generan el par de propulsión. El par Te que proporciona el motor eléctrico (31) se regula mediante el primer codificador (61), controlado mediante los medios de control (32). It should be noted that the control means (32) calculate the torque T p that must be provided by the propulsion generated by the water jets (1) located along the second link (51 b) and the torque T e that must be provided. the electric motor (31). The torque T p that provides the propulsion generated by the water jets (1) located antagonistically are controlled by controlling the flow and pressure using a flow pump (21) and a solenoid valve (22) for each of the outlets. (25) that generate the propulsion torque. The torque T e provided by the electric motor (31) is regulated by the first encoder (61), controlled by the control means (32).
En la figura 11 se puede observar una vista en esquema de los medios de control (32) de la propulsión generada por los chorros de agua (1) a través de las boquillas (25a, 25b) con control de caudal y/o presión individual para cada una. De igual modo se aprecia la presencia en los medios de impulsión acuáticos (2) de vahas bombas de caudal (21) con una entrada (24) de captación de agua (1), cada una con una electroválvula (22) a continuación para la regulación y/o interrupción del flujo de agua (1) hacia la salida (25), todo ello regulado por los medios de control (32). Se ve también la posición de los medios de impulsión electromecánicos (3), y en concreto, del motor eléctrico (31). Esto permite un mayor control de caudal y/o presión de agua (1) en cada una de las salidas (25) que producen el par de propulsión, a lo que contribuye la inclusión de una bomba de caudal (21) y/o presión variable. In Figure 11 you can see a schematic view of the control means (32) of the propulsion generated by the water jets (1) through the nozzles (25a, 25b) with individual flow and/or pressure control. for each one. Likewise, the presence in the aquatic drive means (2) of several flow pumps (21) with an inlet (24) for collecting water (1) can be seen, each with a solenoid valve (22) below for the regulation and/or interruption of the water flow (1) towards the outlet (25), all regulated by the control means (32). You can also see the position of the electromechanical drive means (3), and specifically, the electric motor (31). This allows greater control of the flow and/or pressure of water (1) in each of the outlets (25) that produce the propulsion torque, to which the inclusion of a flow pump (21) and/or pressure contributes. variable.
En la figura 12 se puede observar una vista en esquema de los medios de control (32) de la propulsión generada por los chorros de agua (1) a través de las boquillas (25a, 25b) ohentables mediante servomotores (41) controlados por segundos codificadores (62), lo cual posibilita la orientación de los micro chorros de agua (1) produciendo cambios en el par Tp generado por los mismos. Se aprecia la presencia en los medios de impulsión acuáticos (2) de una bomba de caudal (21) con una entrada (24) de captación de agua (1) y una electroválvula (22) a continuación para la regulación y/o interrupción del flujo de agua (1) hacia la salida (25), todo ello regulado por los medios de control (32). Se ve también la posición de los medios de impulsión electromecánicos (3), y en concreto, del motor eléctrico (31). In Figure 12 you can see a schematic view of the control means (32) of the propulsion generated by the water jets (1) through the nozzles (25a, 25b) that can be operated by means of servomotors (41) controlled by seconds. encoders (62), which enables the orientation of the micro water jets (1) producing changes in the torque T p generated by them. The presence in the aquatic drive means (2) of a flow pump (21) with an inlet (24) for collecting water (1) and a solenoid valve (22) below for the regulation and/or interruption of the flow can be seen. water flow (1) towards the outlet (25), all regulated by the control means (32). You can also see the position of the electromechanical drive means (3), and specifically, the electric motor (31).
Más en particular, tal y como se observa en las figuras 1 B, 3 y 4, el actuador híbrido para medio acuático comprende medios de impulsión acuáticos (2) con al menos una entrada (24) de agua (1) y al menos una salida (25) de agua (1) a presión, medios de impulsión electromecánicos (3), medios de control (32) de los medios de impulsión acuáticos (2) y de los medios de impulsión electromecánicos (3), en donde los medios de impulsión acuáticos (2) y los medios de impulsión electromecánicos (3) están unidos a al menos una articulación mecánica (5). Preferentemente, tal y como se observa en las figuras 1 B y 4, la articulación mecánica (5) es una articulación rotativa (51) con al menos un primer eslabón (51a) y un segundo eslabón (51b) unidos rotativamente entre sí. More particularly, as seen in Figures 1 B, 3 and 4, the hybrid actuator for aquatic environments comprises aquatic drive means (2) with at least one water inlet (24) (1) and at least one outlet (25) of pressurized water (1), electromechanical drive means (3), control means (32) of the aquatic drive means (2) and of the electromechanical drive means (3), where the means aquatic drive (2) and the electromechanical drive means (3) are linked to at least one mechanical joint (5). Preferably, as seen in Figures 1 B and 4, the mechanical joint (5) is a rotary joint (51) with at least a first link (51a) and a second link (51b) rotatably connected to each other.
Alternativamente, tal y como se observa en la figura 3, la articulación mecánica (5) es una articulación lineal (52) con al menos una base (52a) y un carro (52b) móvil configurado para un desplazamiento lineal entre sí. Alternatively, as seen in Figure 3, the mechanical joint (5) is a linear joint (52) with at least one base (52a) and a mobile carriage (52b) configured for linear displacement relative to each other.
En una realización preferida de la invención, tal y como se observa en las figuras 1 B y 1C, el actuador híbrido comprende un primer codificador (61) de posición de la articulación mecánica (5). In a preferred embodiment of the invention, as seen in Figures 1 B and 1C, the hybrid actuator comprises a first position encoder (61) of the mechanical joint (5).
Cabe señalar que, tal y como se observa en las figuras 1A, 3, los medios de impulsión electromecánicos (3) son al menos un motor eléctrico (31). It should be noted that, as seen in Figures 1A, 3, the electromechanical drive means (3) are at least one electric motor (31).
Por otra parte, tal y como se observa en la figura 2, el actuador híbrido comprende medios de orientación electromecánicos (4) de la salida (25) de agua (1) a presión, los cuales son preferentemente micro jets. On the other hand, as seen in Figure 2, the hybrid actuator comprises electromechanical orientation means (4) of the outlet (25) of pressurized water (1), which are preferably micro jets.
Opcionalmente, tal y como se observa en la figura 2, los medios de orientación electromecánicos (4) comprenden al menos un servomotor (41). Optionally, as seen in Figure 2, the electromechanical orientation means (4) comprise at least one servomotor (41).
Según otro aspecto de la invención, tal y como se observa en la figura 2, el actuador híbrido comprende un segundo codificador (62) de posición de los medios de orientación electromecánicos (4). According to another aspect of the invention, as seen in Figure 2, the hybrid actuator comprises a second position encoder (62) of the electromechanical orientation means (4).
En una realización preferida de la invención, tal y como se observa en las figuras 10, 11 y 12, los medios de impulsión acuáticos (2) comprenden al menos una bomba de caudal (21) con una entrada (24) de agua (1), y medios de canalización (23) hacia al menos una salida (25) de agua (1) a presión. In a preferred embodiment of the invention, as seen in Figures 10, 11 and 12, the aquatic drive means (2) comprise at least one flow pump (21) with a water inlet (24) (1 ), and channeling means (23) towards at least one outlet (25) of pressurized water (1).
Adicionalmente, tal y como se observa en las figuras 10, 11 y 12, los medios de impulsión acuáticos (2) comprenden al menos una electroválvula (22) de apertura y/o cierre de los medios de canalización (23). Complementariamente, tal y como se observa en las figuras 10, 11 y 12, el actuador híbrido comprende una bomba de caudal (21) de presión variable. Additionally, as seen in Figures 10, 11 and 12, the aquatic drive means (2) comprise at least one solenoid valve (22) for opening and/or closing the channeling means (23). Additionally, as seen in Figures 10, 11 and 12, the hybrid actuator comprises a variable pressure flow pump (21).
Más específicamente, tal y como se observa en las figuras 1A y 2, el actuador híbrido comprende al menos una primera boquilla (25a) de expulsión de agua (1) a presión y una segunda boquilla (25b) de expulsión de agua (1) a presión, ambas en dirección sustancialmente opuesta. More specifically, as seen in Figures 1A and 2, the hybrid actuator comprises at least a first nozzle (25a) for expulsion of water (1) under pressure and a second nozzle (25b) for expulsion of water (1). under pressure, both in substantially opposite directions.
Opcionalmente, tal y como se observa en las figuras 1A, 1 B y 1 C, el actuador híbrido comprende una primera boquilla (25a) de expulsión de agua (1) a presión y una segunda boquilla (25b) de expulsión de agua (1) a presión, ambas enfrentadas a 180°. Optionally, as seen in Figures 1A, 1 B and 1 C, the hybrid actuator comprises a first nozzle (25a) for expulsion of water (1) under pressure and a second nozzle (25b) for expulsion of water (1 ) under pressure, both facing each other at 180°.
Es también objeto de la presente invención, tal y como se observa en las figuras 4, 5A, 5B y 6, un robot de rehabilitación que comprende al menos un actuador híbrido para medio acuático. It is also the object of the present invention, as seen in Figures 4, 5A, 5B and 6, a rehabilitation robot that comprises at least one hybrid actuator for an aquatic environment.
Preferentemente, tal y como se observa en las figuras 5A y 5B, el robot de rehabilitación comprende al menos una órtesis (71) y/o al menos una sujeción (72) al cuerpo del usuario, siendo opcionalmente una cinta regulable o similar. Preferably, as seen in Figures 5A and 5B, the rehabilitation robot comprises at least one orthosis (71) and/or at least one attachment (72) to the user's body, optionally being an adjustable strap or similar.
Los detalles, las formas, las dimensiones y demás elementos accesorios, así como los componentes empleados en la implementación del robot de rehabilitación con actuador híbrido para medio acuático, podrán ser convenientemente sustituidos por otros que sean técnicamente equivalentes, y no se aparten de la esencialidad de la invención ni del ámbito definido por las reivindicaciones que se incluyen a continuación de la siguiente lista. The details, shapes, dimensions and other accessory elements, as well as the components used in the implementation of the rehabilitation robot with hybrid actuator for aquatic environments, may be conveniently replaced by others that are technically equivalent, and do not deviate from the essentiality. of the invention nor the scope defined by the claims that follow the following list.
Lista referencias numéricas: List of numerical references:
1 agua 1 water
2 medios de impulsión acuáticos 2 aquatic drives
21 bomba de caudal 21 flow pump
22 electroválvula 22 solenoid valve
23 medios de canalización 23 means of channeling
24 entrada salida a primera boquilla b segunda boquilla medios de impulsión electromecánicos motor eléctrico medios de control carcasa medios de orientación electromecánicos servomotor articulación mecánica articulación rotativa a primer eslabón b segundo eslabón articulación lineal a base b carro primer codificador segundo codificador órtesis sujeción 24 entry outlet a first nozzle b second nozzle electromechanical drive means electric motor housing control means electromechanical orientation means servomotor mechanical joint rotary joint a first link b second link linear joint a base b carriage first encoder second encoder orthosis clamping

Claims

REIVINDICACIONES
1- Robot de rehabilitación que comprende al menos un actuador híbrido para medio acuático caracterizado por que comprende medios de impulsión acuáticos (2) con al menos una entrada (24) de agua (1) y al menos una salida (25) de agua (1) a presión, medios de impulsión electromecánicos (3), medios de control (32) de los medios de impulsión acuáticos (2) y de los medios de impulsión electromecánicos (3), en donde los medios de impulsión acuáticos (2) y los medios de impulsión electromecánicos (3) están unidos a al menos una articulación mecánica (5), y por que la articulación mecánica (5) es una articulación rotativa (51) con al menos un primer eslabón (51a) y un segundo eslabón (51b) unidos rotativamente entre sí. 1- Rehabilitation robot comprising at least one hybrid actuator for an aquatic environment characterized in that it comprises aquatic drive means (2) with at least one water inlet (24) (1) and at least one water outlet (25) ( 1) under pressure, electromechanical drive means (3), control means (32) of the aquatic drive means (2) and the electromechanical drive means (3), where the aquatic drive means (2) and The electromechanical drive means (3) are linked to at least one mechanical joint (5), and because the mechanical joint (5) is a rotary joint (51) with at least a first link (51a) and a second link ( 51b) rotatably joined together.
2- Robot de rehabilitación que comprende al menos un actuador híbrido para medio acuático, según la reivindicación 1 , caracterizado por que la articulación mecánica (5) es una articulación lineal (52) con al menos una base (52a) y un carro (52b) móvil configurados para un desplazamiento lineal entre sí. 2- Rehabilitation robot comprising at least one hybrid actuator for an aquatic environment, according to claim 1, characterized in that the mechanical joint (5) is a linear joint (52) with at least one base (52a) and a carriage (52b). ) mobile configured for linear displacement with respect to each other.
3- Robot de rehabilitación que comprende al menos un actuador híbrido para medio acuático, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende un primer codificador (61) de posición de la articulación mecánica (5). 3- Rehabilitation robot that comprises at least one hybrid actuator for an aquatic environment, according to any of the preceding claims, characterized in that it comprises a first encoder (61) for the position of the mechanical joint (5).
4- Robot de rehabilitación que comprende al menos un actuador híbrido para medio acuático, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los medios de impulsión electromecánicos (3) son al menos un motor eléctrico (31). 4- Rehabilitation robot comprising at least one hybrid actuator for an aquatic environment, according to any of the preceding claims, characterized in that the electromechanical drive means (3) are at least one electric motor (31).
5- Robot de rehabilitación que comprende al menos un actuador híbrido para medio acuático, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende medios de orientación electromecánicos (4) de la salida (25) de agua (1) a presión. 5- Rehabilitation robot comprising at least one hybrid actuator for an aquatic environment, according to any of the preceding claims, characterized in that it comprises electromechanical orientation means (4) of the outlet (25) of pressurized water (1).
6- Robot de rehabilitación que comprende al menos un actuador híbrido para medio acuático, según la reivindicación 5, caracterizado por que los medios de orientación electromecánicos (4) comprenden al menos un servomotor (41). 7- Robot de rehabilitación que comprende al menos un actuador híbrido para medio acuático, según la reivindicación 6, caracterizado por que comprende un segundo codificador (62) de posición de los medios de orientación electromecánicos (4). 6- Rehabilitation robot comprising at least one hybrid actuator for an aquatic environment, according to claim 5, characterized in that the electromechanical orientation means (4) comprise at least one servomotor (41). 7- Rehabilitation robot that comprises at least one hybrid actuator for an aquatic environment, according to claim 6, characterized in that it comprises a second position encoder (62) of the electromechanical orientation means (4).
8- Robot de rehabilitación que comprende al menos un actuador híbrido para medio acuático, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los medios de impulsión acuáticos (2) comprenden al menos una bomba de caudal (21) con una entrada (24) de agua (1), y medios de canalización (23) hacia al menos una salida (25) de agua (1) a presión. 8- Rehabilitation robot comprising at least one hybrid actuator for an aquatic environment, according to any of the preceding claims, characterized in that the aquatic drive means (2) comprise at least one flow pump (21) with an inlet (24). of water (1), and channeling means (23) towards at least one outlet (25) of pressurized water (1).
9- Robot de rehabilitación que comprende al menos un actuador híbrido para medio acuático, según la reivindicación 8, caracterizado por que los medios de impulsión acuáticos (2) comprenden al menos una electroválvula (22) de apertura y/o cierre de los medios de canalización (23). 9- Rehabilitation robot comprising at least one hybrid actuator for an aquatic environment, according to claim 8, characterized in that the aquatic drive means (2) comprise at least one solenoid valve (22) for opening and/or closing the means of channeling (23).
10- Robot de rehabilitación que comprende al menos un actuador híbrido para medio acuático, según cualquiera de las reivindicaciones 8 ó 9, caracterizado por que comprende una bomba de caudal (21) de presión variable. 10- Rehabilitation robot that comprises at least one hybrid actuator for an aquatic environment, according to any of claims 8 or 9, characterized in that it comprises a variable pressure flow pump (21).
11- Robot de rehabilitación que comprende al menos un actuador híbrido para medio acuático, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende al menos una primera boquilla (25a) de expulsión de agua (1) a presión y una segunda boquilla (25b) de expulsión de agua (1) a presión, ambas en dirección sustancialmente opuesta. 11- Rehabilitation robot that comprises at least one hybrid actuator for an aquatic environment, according to any of the preceding claims, characterized in that it comprises at least a first nozzle (25a) for expelling pressurized water (1) and a second nozzle (25b). ) for expulsion of water (1) under pressure, both in substantially opposite directions.
12- Robot de rehabilitación que comprende al menos un actuador híbrido para medio acuático, según la reivindicación 11 , caracterizado por que comprende una primera boquilla (25a) de expulsión de agua (1) a presión y una segunda boquilla (25b) de expulsión de agua (1) a presión, ambas enfrentadas a 180°. 12- Rehabilitation robot comprising at least one hybrid actuator for an aquatic environment, according to claim 11, characterized in that it comprises a first nozzle (25a) for expelling pressurized water (1) and a second nozzle (25b) for expelling water. water (1) under pressure, both facing each other at 180°.
13- Robot de rehabilitación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende al menos una órtesis (71). 13- Rehabilitation robot according to any of the preceding claims, comprising at least one orthosis (71).
14- Robot de rehabilitación, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende al menos una sujeción (72) al cuerpo de un usuario 14- Rehabilitation robot, according to any of the previous claims, characterized in that it comprises at least one attachment (72) to the body of a user.
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