Dispositivo de movimiento para robots.
Objeto de la invención La presente invención se refiere a un dispositivo de movimiento para robots que presenta tres grados de libertad, correspondientes a los movimientos espaciales; horizontal, vertical y lateral, cada uno de ellos gobernado por un actuador propio. Donde los mecanismos que llevan a cabo tales movimientos han sido especialmente diseñados para facilitar el control de movimiento, incrementar la frecuencia de movimiento, ofrecer mayor protección frente a golpes, así como optimizar y economizar la elección de componentes.
La presente invención resulta especialmente idónea para permitir el movimiento de patas y brazos mecánicos de robots, aunque puede ser usado también en máquinas herramienta, como por ejemplo centros de mecanizado, o incluso como grúa para vehículos.
Antecedentes de la invención En la actualidad se conocen numerosos diseños de patas o brazos mecánicos para su empleo en robots. Una gran parte de dichos diseños siguen esquemas biomiméticos que se llevan a la práctica mediante complejos dispositivos de movimiento de elevado coste y difícil control, como por ejemplo los que incorporan el robot ASIMO
o el Big-Dog, entre otros.
El estado del arte comprende no obstante, otros dispositivos de movimiento que han sido desarrollados con el objeto de simplificar los diseños anteriores, Un ejemplo de ellos es el representado en el artículo Desing and simulation of an easy operating leg for walking robots de Antonio González Rodríguez y otros, divulgado en el IEEE 2009 International Conference on Mechatronics, Málaga 2009.
En este artículo se muestra una pata para robots, cuyo diseño desglosa los movimientos horizontal y vertical a través de un mecanismo plano. El movimiento horizontal se gobierna mediante un motor rotativo de corriente continua, mientras que el movimiento vertical se gobierna modificando la longitud de una de las barras del mecanismo mediante el empleo de un actuador lineal. Dicho mecanismo comprende un punto extremo que, bajo unas condiciones de funcionamiento normal preestablecidas por el usuario, presenta una trayectoria recta cuando uno de los actuadores permanece activo y el otro inactivo.
La presente invención representa una mejora del dispositivo de movimiento anterior que consiste en la optimización del mecanismo de movimiento horizontal y vertical del mismo y en la incorporación de un segundo mecanismo que permite el posicionamiento del punto extremo en un punto cualquiera del espacio de movimiento lateral. Asimismo, los dos mecanismos de la presente invención se encuentran configurados para proporcionar, bajo las condiciones de funcionamiento normal, una trayectoria rectilínea del punto extremo para cada uno de sus movimientos horizontal, vertical y lateral cuando se opera uno de los actuadores y los otros dos permanecen inactivos. Este último aspecto facilita enormemente la coordinación de los distintos actuadores del dispositivo a la hora de realizar una determinada acción, y en consecuencia hace que el control resulte mucho más sencillo.
Así pues, el dispositivo de movimiento de la presente invención ofrece un gran número de ventajas con respecto a los dispositivos conocidos, tal y como se menciona a continuación. Para empezar, su sencillez de control permite elevar la frecuencia de acciones y por lo tanto la velocidad de movimiento. A su vez, otra ventaja que se deriva de la configuración constructiva de la presente invención es que permite elegir los distintos actuadores, específicamente para cada uno de los movimientos horizontal, vertical y lateral, ya que cada uno de éstos tiene su propio actuador, con lo que se puede optimizar la potencia instalada del dispositivo. Finalmente, la presente invención permite trabajar exclusivamente con actuadores lineales, los cuales resultan más económicos que los motores rotativos, en aquellos casos que se requiera actuación con elevada precisión y ausencia de holguras apreciables.
Descripción de la invención El dispositivo de movimiento para robots de la presente invención es del tipo de los que comprende un primer mecanismo plano que permite un movimiento horizontal y un movimiento vertical de un punto extremo situado en el mismo mediante un primer actuador y un segundo actuador respectivamente. Dicho dispositivo comprende adicionalmente un segundo mecanismo plano que se articula respecto a un chasis principal y respecto a un chasis auxiliar sobre el que se articula a su vez el primer mecanismo plano. El segundo mecanismo plano permite a su vez un movimiento lateral del punto extremo por medio de un tercer actuador.
Asimismo, el primer y el segundo mecanismo plano se encuentran configurados para proporcionar una trayectoria rectilínea del punto extremo para cada uno de sus movimientos horizontal, vertical y lateral cuando se opera uno de los actuadores y los otros dos permanecen inactivos. Ello tiene lugar bajo unas condiciones de funcionamiento normal preestablecidas por el usuario previamente al diseño del dispositivo y teniendo en cuenta el uso final del mismo. Generalmente las condiciones de trabajo normal se establecen para los movimientos más ES 2 399 438 Al
repetitivos de funcionamiento, si bien caben otras muchas posibilidades. En cuanto a la trayectoria rectilínea, debe interpretarse que ésta puede admitir desviaciones o porcentajes de error propios del diseño, tal y como se muestra en el ejemplo numérico de la presente memoria.
De acuerdo a un primer caso de realización preferente el primer mecanismo plano y el segundo mecanismo plano son ortogonales, siendo también posible que éstos presenten entre ellos cualquier otro ángulo comprendido entre 0º y 90º que permita un movimiento lateral del dispositivo. Asimismo, según un primer caso de realización preferente todos los actuadores son lineales.
El primer mecanismo plano comprende un primer juego de barras formado por:
• el chasis auxiliar;
• el primer actuador y el segundo actuador, de tipo lineal, unidos al chasis auxiliar mediante una articulación C y una articulación B respectivamente;
• una primera pieza unida al chasis auxiliar mediante una articulación A y unida al actuador mediante una articulación D;
• una segunda pieza unida al actuador mediante una articulación E y unida a la primera pieza mediante una articulación F;
• una tercera pieza unida a la primera pieza mediante una articulación G; y
• una cuarta pieza unida a la segunda pieza mediante una articulación H y unida a la tercera pieza mediante una articulación I, encontrándose sobre dicha cuarta pieza el punto extremo.
El movimiento horizontal del punto extremo, de acuerdo a la configuración del primer mecanismo plano descrita anteriormente, se obtiene mediante:
• el chasis auxiliar, actuando en calidad de barra fija;
• la primera pieza, actuando en calidad de barra motriz, dicha primera pieza configurada para transmitir el movimiento del primer actuador;
• el actuador en estado inactivo, actuado en calidad de barra seguidora; y
• la segunda pieza, actuando en calidad de barra de conexión.
A su vez, el movimiento vertical del punto extremo, de acuerdo a la configuración del primer mecanismo plano descrita anteriormente, se obtiene mediante:
• el chasis auxiliar, el actuador en estado inactivo y la primera pieza, actuando en calidad de barra fija;
• la segunda pieza, actuando en calidad de barra motriz, dicha segunda pieza configurada para transmitir el movimiento del segundo actuador;
• la tercera pieza, actuando en calidad de barra seguidora; y
• la cuarta pieza, actuando en calidad de barra de conexión. El segundo mecanismo plano comprende un segundo juego de barras formado por:
• el chasis principal;
• una quinta pieza unida al chasis principal mediante una articulación S;
• una sexta pieza unida al chasis principal mediante una articulación Q; y
• el chasis auxiliar unido a la quinta pieza mediante una articulación U y unido a la sexta pieza mediante una articulación V.
El movimiento lateral del punto extremo, de acuerdo a la configuración del segundo mecanismo plano descrita anteriormente, se obtiene mediante:
• el chasis principal, actuando en calidad de barra fija;
• la quinta pieza, actuando en calidad de barra motriz, dicha quinta pieza configurada para transmitir el movimiento del tercer actuador, donde:
o dicho tercer actuador, de tipo lineal, se encuentra unido al chasis principal mediante una articulación y a la quinta pieza mediante una articulación;
• la sexta pieza, actuando en calidad de barra seguidora; y
• el chasis auxiliar, actuando en calidad de barra de conexión.
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Breve descripción de los dibujos A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización preferente de dicha invención que se presentan como un ejemplo no limitativo de la misma.
La figura 1 representa una vista esquemática en perspectiva del dispositivo de movimiento.
La figura 2 representa un diagrama cinemático del movimiento horizontal del dispositivo de movimiento.
La figura 3 representa un diagrama cinemático del movimiento vertical del dispositivo de movimiento.
La figura 4 representa un diagrama cinemático del movimiento lateral del dispositivo de movimiento.
Realización preferente de la invención La figura 1 muestra una vista esquemática en perspectiva del dispositivo de movimiento de la presente invención, que según el presente ejemplo consiste en la pata de un robot. En dicha figura se puede apreciar que el dispositivo de movimiento (1) para robots de la presente invención es del tipo de los que comprende un primer mecanismo plano (100) que permite un movimiento horizontal (MH) y un movimiento vertical (MV) de un punto extremo (P) situado en el mismo mediante un primer actuador (101) y un segundo actuador (102) respectivamente. Dicho dispositivo (1) comprende adicionalmente un segundo mecanismo plano (200) que se articula respecto a un chasis principal (20) y respecto a un chasis auxiliar (10) sobre el que se articula a su vez el primer mecanismo plano (100) . El segundo mecanismo plano (200) permite a su vez un movimiento lateral (ML) del punto extremo (P) por medio de un tercer actuador (201) . Según el presente ejemplo, el primer mecanismo plano (100) y el segundo mecanismo plano (200) son ortogonales, a la vez que todos los actuadores (101, 102, 201) son lineales.
Como se puede apreciar en la figuras 2, 3 y 4, el primer (100) y el segundo mecanismo plano (200) se encuentran configurados para proporcionar una trayectoria rectilínea del punto extremo (P) para cada uno de sus movimientos horizontal (MH) , vertical (MV) y lateral (ML) cuando se opera uno de los actuadores (101, 102, 201) y los otros dos permanecen inactivos.
Otra particularidad del presente ejemplo de realización preferente es que todos los actuadores (101, 102, 201) se encuentran en la parte superior del dispositivo (1) . Ello reduce la inercia de la pata y por lo tanto permite incrementar la frecuencia de movimiento de la misma con potencias menores. A su vez, dado que todos los actuadores (101, 102, 201) se concentran en una zona en concreto, resulta más fácil la protección de los mismos frente a choques u otros accidentes.
Las figuras 2, 3 y 4 muestran el diagrama cinemático de cada uno de los movimientos horizontal (MH) , vertical (MV) y lateral (ML) del dispositivo de movimiento (1) de la presente invención respectivamente. La posición inicial se encuentra reflejada en líneas continuas, mientras que la posición final se muestra en líneas a trazos.
En las figuras 2 y 3 se puede apreciar que el primer mecanismo plano (100) comprende un primer juego de barras (10, 101, 102, 103, 104, 105, 106) formado por:
• el chasis auxiliar (10) ;
• el primer (101) y el segundo actuador (102) , de tipo lineal, unidos al chasis auxiliar (10) mediante una articulación (C) y una articulación (B) respectivamente;
• una primera pieza (103) unida al chasis auxiliar (10) mediante una articulación (A) y unida al actuador (101) mediante una articulación (D) ;
• una segunda pieza (104) unida al actuador (102) mediante una articulación (E) y unida a la primera pieza
(103) mediante una articulación (F) ;
• una tercera pieza (105) unida a la primera pieza (104) mediante una articulación (G) ; y
• una cuarta pieza (106) unida a la segunda pieza (104) mediante una articulación (H) y unida a la tercera pieza (105) mediante una articulación (I) , encontrándose sobre dicha cuarta pieza (106) el punto extremo (P) .
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De este modo, como se observa en la figura 2, el movimiento horizontal (MH) del punto extremo (P) se obtiene mediante:
• el chasis auxiliar (10) , actuando en calidad de barra fija;
• la primera pieza (103) , actuando en calidad de barra motriz, dicha primera pieza (103) configurada para transmitir el movimiento del primer actuador (101) ;
• el actuador (102) en estado inactivo, actuado en calidad de barra seguidora; y
• la segunda pieza (104) , actuando en calidad de barra de conexión.
A su vez, como se observa en la figura 3, el movimiento vertical (MV) del punto extremo (P) se obtiene mediante:
• el chasis auxiliar (10) , el actuador (101) en estado inactivo y la primera pieza (103) , actuando en calidad de barra fija;
• la segunda pieza (104) , actuando en calidad de barra motriz, dicha segunda pieza (104) configurada para transmitir el movimiento del segundo actuador (102) ;
• la tercera pieza (105) , actuando en calidad de barra seguidora; y
• la cuarta pieza (106) , actuando en calidad de barra de conexión.
En la figura 4 se puede apreciar que el segundo mecanismo plano (200) comprende un segundo juego de barras (20, 202, 203, 10) formado por:
• el chasis principal (20) ;
• una quinta pieza (202) unida al chasis principal (20) mediante una articulación (S) ;
• una sexta pieza (203) unida al chasis principal (20) mediante una articulación (Q) ; y
• el chasis auxiliar (10) unido a la quinta pieza (202) mediante una articulación (U) y unido a la sexta pieza
(203) mediante una articulación (V) .
De este modo, como se observa en la figura 4, el movimiento lateral (ML) del punto extremo (P) se obtiene mediante:
• el chasis principal (20) , actuando en calidad de barra fija;
• la quinta pieza (202) , actuando en calidad de barra motriz, dicha quinta pieza (202) configurada para transmitir el movimiento del tercer actuador (201) , donde:
o dicho tercer actuador (201) , de tipo lineal, se encuentra unido al chasis principal (20) mediante una articulación (R) y a la quinta pieza (202) mediante una articulación (T) ;
• la sexta pieza (203) , actuando en calidad de barra seguidora; y
• el chasis auxiliar (10) , actuando en calidad de barra de conexión.
Ejemplo Como se ha comentado a lo largo de la memoria, previamente al diseño del dispositivo deben preestablecerse unas condiciones de funcionamiento normal teniendo en cuenta el uso final del mismo. Existen infinidad de soluciones numéricas que siguen las configuraciones constructivas anteriormente descritas del primer
(100) y del segundo mecanismo (200) , la cuales ofrecen una trayectoria rectilínea del punto extremo (P) para cada uno de sus movimientos horizontal, vertical y lateral cuando se opera uno de los actuadores (101, 102, 201) y los otros dos permanecen inactivos. El presente ejemplo numérico muestra una de ellas, correspondiente a unas condiciones de funcionamiento normal en las que cada paso horizontal representa un desplazamiento de 800 mm y cada paso lateral representa un desplazamiento de 600 mm. Bajo estas condiciones la trayectoria rectilínea de ambos movimientos presenta desviaciones de 3 a 4 mm que equivalen a errores inferiores al 1%. Para una mayor sencillez en la fabricación, todos los actuadores (101, 102, 201) presentan una misma geometría salvo en la relación de transmisión.
Así pues, según el presente ejemplo numérico, las longitudes entre las articulaciones del primer mecanismo (100) presentan los siguientes valores: AB=192.89 mm, BC=431.56 mm, AC=333.84 mm, AF=450 mm, DG=428.51 mm, AD=126.49 mm, FG=147.46 mm, EF= 150 mm, FH=400 mm, GI=345.70 mm, HP=450 mm, HI=100 mm. Los segmentos AF y DG son paralelos. El ángulo del segmento BC con la horizontal es 6.10º. El segmento DC modela el actuador lineal (101) para el movimiento horizontal (MH) y el segmento BE modela el actuador lineal (102) para el movimiento vertical (MV) . El actuador (101) alcanza una longitud recogida de 255 mm y una longitud extendida de 355 mm para un paso horizontal de 800 mm. El actuador (102) alcanza una longitud
recogida de 255 mm y una longitud extendida de 355 mm para un paso vertical de 325 mm.
Asimismo, según el presente ejemplo numérico, las longitudes entre las articulaciones del segundo mecanismo (200) presentan los siguientes valores: QR=56.51 mm, SR=302.34 mm, QS=357.95 mm, ST=66.78 mm, TU=97.02 mm, SU=104.32 mm, UV=260 mm, UP=723.67 mm, PV=980.05 mm. El ángulo del segmento SR con la horizontal es 80.47º. El segmento RT modela el actuador lineal (201) . Dicho actuador (201) alcanza una longitud recogida de 255 mm y una longitud extendida de 355 mm para un paso lateral de 600 mm.
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