ES2230953B2 - Robot paralelo trepador y deslizante para trabajos en estructuras y superficies. - Google Patents

Abstract

Robot paralelo trepador y deslizante para trabajos en estructuras y superficies. La presente invención permite realizar trabajos en sitios de difícil acceso y peligrosos para las personas, como los trabajos en estructuras metálicas de edificios, en centrales nucleares o en estructuras de cúpulas de estadios o coliseos, debajo de puentes metálicos, de limpieza sobre fachadas de edificios, o en el exterior o interior de cascos de barcos o aviones. El dispositivo robótico está basado en una estructura paralela consistente en dos anillos (1) y (2), que sirven de base, unidos entre sí por seis accionamientos lineales (3), a través de uniones articuladas del tipo esférico (6) y universal (5). Además incluye anillos exteriores (4) uno por cada anillo (1) y (2), que giran en torno a cada anillo (1) y (2). En los anillos exteriores (4), se acoplan las patas (10) y los sistemas de fijación (11) y (12) para que el dispositivo robótico pueda trepar, desplazarse y orientarse en su espacio de trabajo.

Description

Robot paralelo trepador y deslizante para trabajos en estructuras y superficies.

La presente invención se refiere a un dispositivo robótico de estructura paralela, aplicado de manera novedosa para trepar, deslizarse y posicionarse a lo largo de estructuras que pueden ser del tipo de construcciones metálicas, cúpulas de edificios, fachadas de edificios, cascos de barcos o cascos de aviones, a los efectos de realizar trabajos de diverso tipo haciendo uso para ello de sistemas de visión, de su propia estructura y de brazos robotizados controlados a distancia, los cuales pueden incorporar diversos tipos de herramientas.

Sector técnico al que se refiere la invención

Dispositivos robóticos paralelos móviles trepadores y deslizantes que portan brazos manipuladores, herramientas y cargas para trabajos mecánicos en general, trabajos de mantenimiento o inspección, que disponen de un sistema de control por computador para desplazarse a lo largo de superficies o estructuras, adoptando cualquier posición y orientación en el espacio a su alcance, independientemente de que las estructuras o superficies a las que se sujeta tengan sinuosidades con curvaturas en el espacio, con tramos rectos o quebrados, o escabrosos entramados de vigas que dificulten su paso.

Antecedentes de la invención

La presente invención de un dispositivo robótico móvil de estructura paralela para trabajos en estructuras y superficies, es una evolución del modelo de utilidad U200101377 presentada por los autores. El objetivo de esta invención es dar una solución a la necesidad de realizar trabajos en construcciones de estructuras metálicas como puentes y edificios, cúpulas de edificios, cascos de barcos, y cascos de aviones, caracterizadas por lo difícil o peligroso de su acceso, por lo cual el uso de mecanismos robóticos controlados a distancia son la mejor solución.

El desarrollo de los mecanismos robóticos paralelos se ha incrementando en los últimos años, tanto desde el punto de vista teórico como de sus aplicaciones prácticas en la industria para labores de manipulación, operaciones de mecanizado, simuladores de movimiento, cirugía ortopédica, etc., debido a que, en virtud de su gran rigidez mecánica, precisión y velocidad, son especialmente aptos para soportar cargas muy superiores a su propio peso. Además de la excelente relación carga admisible / peso propio, los robots paralelos presentan otras características interesantes usándose corno manipuladores en células de ensamblaje robotizada, fundamentalmente porque la posición del efector final es mucho menos sensible a los errores que los sensores articulares de los robots en serie.

Otra característica importante de los robots paralelos es la posibilidad de implementar en ellos 6 sensores de esfuerzos en sus actuadores. De esta manera se pueden calcular las fuerzas y momentos que actúan en la plataforma móvil.

Son posibles muchos diseños diferentes de robots paralelos y la literatura científica al respecto es muy rica. Todos tienen en común el bajo costo de sus componentes que en su mayoría son estándar, aunque hay que ensamblarlos de una forma cuidadosa.

Hasta la presentación del modelo de utilidad U200101377, los robots paralelos han sido utilizados para trabajar anclados al suelo o como parte de una unión articulada. El primer robot paralelo comercial, el "Gadfly", un manipulador de 6 grados de libertad para el ensamblado de componentes electrónicos, fue diseñado por Marconi. Posteriormente esta compañía diseñó un gran robot híbrido serie-paralelo, el "Tetrabot". Un robot paralelo rápido de 3-4 GDL, el "Delta" ha comenzado recientemente su comercialización por la compañía Demaurex. Este manipulador está diseñado para labores muy rápidas de coger-y-dejar cargas ligeras, las cualidades de su diseño le permite alcanzar altas velocidades y aceleraciones. El Hexa, actualmente en fase de desarrollo, es un diseño similar con 6 GDL.

De momento no hay en la literatura técnica aplicaciones de los mecanismos robóticos como robots móviles deslizantes y trepadores como se presentan en esta invención.

Descripción de la invención Breve descripción de la invención

La invención del Robot Paralelo Trepador y Deslizante para trabajos en estructuras y superficies permite realizar trabajos en sitios de difícil acceso y peligrosos para los seres humanos, como son los trabajos en estructuras metálicas de edificios, trabajos en centrales nucleares o trabajos en estructuras de grandes cúpulas de estadios o coliseos, trabajos debajo de puentes metálicos para lo que es necesario desplazarse a través de las vigas de las estructuras del puente, trabajos de limpieza sobre fachadas de edificios, trabajos en el exterior o interior de los cascos de los barcos o aviones.

Para que un dispositivo robótico se pueda desplazar y orientar en el espacio de trabajo evitando obstáculos, es necesario que el mecanismo disponga de al menos seis grados de libertad, lo cual se consigue en la invención de este Robot Paralelo Trepador.

El dispositivo robótico esta basado en una estructura paralela consistente en dos anillos unidos entre sí por seis accionamientos lineales, a través de uniones articuladas.

El dispositivo robótico de estructura paralela de la invención, por la forma en que están dispuestos en paralelo los accionamientos lineales, puede aplicar directamente la potencia de todos los accionamientos al trabajo que esta realizando. Esta configuración paralela de los accionamientos lineales tiene además la enorme ventaja que multiplica la capacidad de carga del robot, su velocidad, rigidez y habilidad geométrica para moverse en el espacio.

Esta invención incluye además patas y articulaciones que se han agregado a la estructura paralela, para aumentar su movilidad, de manera tal que el dispositivo robótico puede trepar, desplazarse, estirarse, colgarse, girar y orientarse en su espacio de trabajo.

Descripción detallada de la invención

El Robot Paralelo Trepador y Deslizante para trabajos en estructuras y superficies, está formado por dos anillos (1) y (2) que están unidos entre sí por seis accionamientos lineales (3) a través de las juntas esféricas y universales (6) y (5) dispuestas en los extremos de cada accionamiento (3). Los accionamientos (3) se controlan por computador, formando una configuración conocida como plataforma paralela. A la mencionada plataforma paralela se han agregado los anillos exteriores (4) los cuales están articulados y pueden girar en torno a los anillos principales (1) y (2).

Sobre cada uno de los anillos exteriores (4) se han integrado las articulaciones dobles (7). las cuales pueden girar las patas (10) respecto del anillo (4), gracias al motor (8), además cada articulación (7) incorpora el motor (9), el cual tiene como función desplazar hacia adelante o hacia atrás, mediante una transmisión que puede ser del tipo cremallera, la pieza (10) que hace las veces de pata del Robot Paralelo Trepador y Deslizante.

En general el robot dispone en cada pata (10) de un sistema sujetador (12) que puede ser del tipo electromagnético para el caso de sujeciones sobre estructuras metálicas de hierro o del tipo de ventosa neumática para sujeciones sobre otro tipo de materiales y superficies, el sujetador (12) se desplaza hacia afuera o se retrae mediante el accionamiento lineal (11).

El conjunto del cuerpo articulado del mecanismo robótico trepador descrito antes, en base a un control por computador puede desplazarse a lo largo de estructuras y entramados formadas por vigas y perfiles metálicos tales corno las que existen en puentes como se ve en la figuras 7, 8, 9, o por edificios, techos y cúpulas de coliseos o cascos de barcos o aeronaves, como se ve en la figuras 10 y 11. Trabajos que están caracterizados por lo difícil y peligroso de su acceso y por la existencia de superficies curvas o planas con cambios de orientación.

Para ampliar la capacidad de trabajo y alcance, el robot mostrado en la figura 1, puede llevar adosado uno o más brazos robóticos (14), los cuales pueden incorporar a la pinza (15), herramientas o equipos para trabajos mecánicos, de soldadura, o inspección o artilugios para la limpieza.

Los equipos electrónicos para el control por computador del robot están alojados en los anillos (1) y (2), de tal manera que el mecanismo robot puede tener autonomía y ser controlado remotamente.

El robot lleva incorporado un sistema sensorial de realimentación de esfuerzos, para la realización de trabajos que requieran teleoperación control de esfuerzo, y un sistema de visión basado en un par estereoscópico que está acoplado a una de las bases, para la visualización de la tarea remota.

El modo de operación del robot es el siguiente: Para trabajar por el exterior de una estructura, a partir de la situación mostrada en la figura 6, el robot trepador puede desplazarse a través de la estructura sujetando su parte superior en distintas posiciones y orientaciones, algunas de las cuales se presentan en la figuras 7, 8 y 9, pudiendo de esta manera trepar, pasando sin dificultad los obstáculos que por ejemplo, plantean los nodos donde convergen varias vigas.

En el caso de trabajos sobre cúpulas o superficies como cascos o fachadas de edificios, el robot se desplaza como se muestra en las figuras 10 y 11, para lo cual se debe cambiar de sentido los dispositivos de sujeción (11) y (12). Este cambio da lugar a un comportamiento singular del robot, el cual se comporta como un robot deslizante y caminante, que se desplaza coordinando a través de un computador de manera simultánea, la extensión, retracción y giro de las patas (10), con el desplazamiento de los anillos (1) ó (2). El concepto de marcha del dispositivo robótico de esta invención se puede ver en las figuras 11 y 12, las mencionadas figuras ilustran como el robot se desplaza deslizándose y caminando en el caso de desplazamientos por tramos rectos de vigas. De similar manera, invirtiendo en las patas (10), el sistema prensor (11) y (12), este pasa a funcionar como mecanismo de sujeción para desplazamientos sobre superficies y cúpulas, como se indica y señala en las figuras 10 y 11.

En cualquier caso el robot siempre se desplaza sujetándose con las patas (10) que son orientables y de extensión variable y los dispositivos prensores (11) y (12).

Mientras un extremo del robot se sujeta, como se indica antes, el anillo no sujeto (1) ó (2) en base a un control por computador, es desplazado por los seis accionamientos (3), los cuales se coordinan para que sus distintos desplazamientos den como resultado que el anillo que se desplaza (1) ó (2), alcance la posición y orientación requerida como puede verse claramente en las figuras 6 a 12 inclusive.

Una vez conseguida la posición y orientación deseada del anillo (1) ó (2), la articulación (7) se gira convenientemente gracias al motor (8), y el motor (9) extiende a conveniencia las patas (10) desplazándolas con una transmisión lineal que puede ser del tipo cremallera (13).

Una vez alcanzada la posición deseada, el robot ancla los dos anillos (1) y (2) fijando los anillos exteriores (4) para que no giren, y activando el sistema de sujeción (11) y (12), después de lo cual se puede extender el brazo manipulador (14). A partir de ese instante, el brazo manipulador (14) puede realizar de manera teleoperada o programada, las labores de precisión requeridas.

Breve exposición de los dibujos

Figura 1.- Muestra una vista en alzado del Robot paralelo trepador y caminante.

Figura 2.- Vista lateral del robot.

Figura 3.-Vista en perspectiva.

Figura 4.- Vista de detalle.

Figura 5.- Vista de despiece en perspectiva.

Figura 6.- Vista en perspectiva del robot trepador sujeto a una viga.

Figura 7.- Ilustración del robot en posición de trepar y sujetándose a una viga horizontal.

Figura 8.- Ilustración del robot en posición horizontal sujetándose a una viga a 90º.

Figura 9.- Ilustración del robot deslizándose horizontalmente por una viga después de evitar el nodo de vigas.

Figura 10.- Ilustración del robot deslizándose por una superficie curva.

Figura 11.- Vista del robot deslizándose por una fachada de edificio.

Figura 12.- Vista del robot deslizándose y caminado a lo largo de una viga.

Exposición detallada de, al menos, un modo de realización de la invención

El robot en su conjunto es un sistema mecánico formado por partes estructurales mecánicas, articulaciones mecánicas, servo accionamientos de potencia, dispositivos de mando eléctricos, tarjetas electrónicas de potencia, sensores y sistemas de control por computador.

Las anillos de la plataforma marcadas en la figura 1 como (1) y (2), se realizarán en un metal ligero, preferiblemente aluminio, y con un espacio interno lo suficiente para alojar las tarjetas electrónicas de control, los amplificadores de potencia eléctrica, cables eléctricos y baterías.

Cada uno de los dos anillos exteriores (4) irá articulado a los anillos (1) y (2) mediante un rodamiento tipo corona de bajo peso preferiblemente de aluminio con pistas endurecidas.

Los servo actuadores lineales (3) serán eléctricos con potencia suficiente para poder desplazar y orientar el anillo (1) ó (2) que esta libre de moverse. De manera más detallada, cada actuador lineal estará basado en un husillo a bolas de paso suficiente para moverse a la velocidad requerida. El husillo a bolas será movido por un servo motor eléctrico a través de un par de engranajes de dientes rectos.

Cada actuador lineal (3) se podrá programar y mover de manera independiente y coordinada a través de un sistema de control central basado en un computador y software de control.

Cada uno de los seis actuadores lineales se conectan a los anillos (1) y (2) con una junta universal (5) y una junta esférica (6).

Los anillos exteriores (4) deberán ser fabricados en aluminio con dos resaltes diametralmente opuestos, sobre los cuales se incorpora la articulación doble (7). El propósito de la articulación (7) es orientar y desplazar la pata extensible (10). Para conseguir la orientación de la articulación (7), esta previsto anclar a ella un motor cuyo eje esta fijado al anillo (4) permitiendo controlar el giro relativo entre estas dos piezas.

Para el desplazamiento de la pata (10) se ha previsto una ranura a lo largo de ella y en su interior se ha integrado un cremallera (13), la cual esta acoplada al motor (9) por lo que se puede mover linealmente hacia atrás y hacia delante, permitiendo por tanto adaptar la pata a las condiciones de la sujeción que se realiza en base al accionamiento lineal (11) y al prensor (12) que será del tipo de electromagnético para sujeción magnética sobre perfiles de acero.

El sistema de sujeción (11) y (12) puede invertirse para que funcione como pata caminante y sujetadora, como se muestra en las figuras 10 y 11.

El brazo manipulador, marcado como (14) tendrá un mínimo de tres articulaciones, bien rotacionales o prismáticas. Las articulaciones del brazo manipulador se controlan mediante servomotores eléctricos y hardware electrónico de potencia y control por computador.

En el extremo del brazo se aloja la pinza o herramienta. marcada como (15) necesaria para la realización de trabajos.

Claims (4)

1. Robot paralelo trepador y deslizante para trabajos en esructuras y superficies del tipo de los compuestos por dos anillos (1) y (2) unidos entre si mediante seis accionamientos lineales (3) a través de las articulaciones (5) y (6), y en el que en cada uno de los anillos (1) y (2) van ensamblados dos anillos exteriores (4) rotatorios en los cuales de manera diametralmente opuesta se han integrado las articulaciones mecánicas (7) las cuales además de orientarse respecto del anillo (4) gracias al motor (8) disponen de una guía lineal interna para desplazar hacia atrás y adelante la pata (10) caracterizado porque en el extremo de la pata (10) lleva incorporado el sistema de sujeción de extensión variable, compuesto por un motor lineal prensor (11) y un dispositivo sujetador (12) del tipo de electroimán.

2. Robot paralelo trepador y deslizante para trabajos en esructuras y superficies: según reivindicación 1, caracterizado porque el sistema de sujeción (11) y (12) puede ser orientado en la misma dirección de la pata (10) cambiando el sentido de la sujeción, para desplazarse sobre superficies.

3. Robot paralelo trepador y deslizante para trabajos en esructuras y superficies: según reivindicaciones 1 y 2 caracterizado porque cada dispositivo prensor (11) se puede cambiar por el tipo neumático o hidráulico con sujeción neumática por ventosa

4. Robot paralelo trepador y deslizante para trabajos en esructuras y superficies: según reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque puede acoplar el brazo robotizado manipulador (14) el cual dispone de una pinza (15), la cual puede portar herramientas de trabajo o cargas.