ES2307166T3 - Brazo de telemanipulacion en dos partes. - Google Patents

Abstract

Brazo de telemanipulación, que comprende un brazo maestro (5) manejado por un operador, un brazo esclavo (1) que comprende un primer segmento (3), tubular, encastrado a través de una pared (2) y otros segmentos que terminan en un órgano de manipulación (12), componiendo dichos segmentos un tren articulado (4), estando el brazo maestro y el brazo esclavo desprovistos de transmisión mecánica directa que los una, pero provistos de un sistema de interfaz que comprende una parte de control (7) y una parte motriz (8), estando la parte motriz acoplada al segmento tubular (3) y comprendiendo motores (24, 25) de mando de transmisiones mecánicas (26, 27) incluidas en el brazo esclavo (1), y actuando la parte de control (7) los motores en respuesta a indicaciones de movimiento realizadas sobre el brazo maestro (5), comprendiendo la parte motriz (8) una envoltura estacionaria (13), caracterizado por un tambor (14) en montaje giratorio en la envoltura y fijado al segmento tubular (3), un motor estacionario (15) y una transmisión (16) que comprende una corona (22) alrededor del tambor (14) y un órgano (21) de engranaje de la corona y que conecta el tambor (14) al motor estacionario (15).

Description

Brazo de telemanipulación en dos partes.

La materia de esta invención es un brazo de telemanipulación que comprende un brazo maestro y un brazo esclavo en dos partes separadas, según se define en el preámbulo de la reivindicación 1.

Un brazo de este tipo se conoce del documento FR-A-2667532.

Los brazos de telemanipulación compuestos de un brazo maestro y de un brazo esclavo se emplean normalmente para trabajar en un medio hostil y comprenden transmisiones mecánicas que conectan las articulaciones de los segmentos del brazo maestro a las del brazo esclavo de tal forma que haga que el brazo esclavo reproduzca los movimientos del brazo maestro, impuestos por un operador. El extremo del brazo maestro lo sostiene el operador y el extremo del brazo esclavo comprende generalmente una herramienta de manipulación que tiene que realizar un trabajo.

Los brazos de telemanipulación son generalmente de una pieza, estando conectado el brazo maestro directamente al brazo esclavo, con el fin de que las transmisiones mecánicas sean continuas. Existe sin embargo un diseño expuesto en la patente francesa 2667532, que enseña que el brazo esclavo puede estar desprovisto de brazo maestro y mandado mediante un dispositivo de botones o de un tipo análogo, sin producción de un movimiento de mando reproducido por el brazo esclavo: los comandos se convierten en señales eléctricas proporcionadas a un sistema de control que acciona motores que actúan las transmisiones del brazo esclavo en función de estas señales. Pueden permitirse leyes de control diferentes, eventualmente más precisas o más eficaces, del brazo esclavo. Otra característica es que los esfuerzos en el brazo, debidos a la gravedad o al trabajo ejecutado, dejan de transmitirse al operador. Si el cansancio de éste es menor, conviene destacar que, en ocasiones, por el contrario se trata de hacerle experimentar un esfuerzo proporcionado al que soporta la herramienta para mejorar la calidad del control. Se añaden dispositivos llamados de retorno de esfuerzo para producir las reacciones buscadas en el brazo maestro. Ninguna reacción de este tipo puede producirse según esta patente 2667532.

Los brazos de telemanipulación tienen generalmente movimientos limitados. Así es como queda reducido en la práctica el movimiento de pivotamiento de un segmento tubular llamado de cruce, encastrado a través de una pared de protección y montado sobre rodamientos, puesto que se produce haciendo bascular hacia arriba el brazo maestro, lo que sólo puede hacerse con un pequeño ángulo, puesto que una elevación demasiado grande ya no permitiría al operador sostener debidamente el brazo maestro y puesto que el basculamiento del brazo maestro viene acompañado de un mismo basculamiento del brazo esclavo, cuyo peso produce un momento antagonista a la elevación que molesta al operador. Unos contrapesos reducen el momento de basculamiento pero, en la práctica, su acción aún es incompleta. Pese a sus posibilidades, los brazos esclavos están asociados por tanto a un espacio de trabajo reducido y, sobre todo, de escasa altura. La patente anteriormente citada no solventa esta insuficiencia: contiene la indicación de hacer pivotar el brazo esclavo mediante un cilindro dispuesto transversalmente, que permite solamente un pequeño ángulo de movimiento.

El objeto más importante de la invención es por tanto incrementar las posibilidades de movimiento en los brazos de telemanipulación y particularmente elevando el nivel al que puede ubicarse el brazo esclavo, y sin trabajo para el operador.

La disposición seleccionada para el nuevo brazo de telemanipulador implica que el brazo maestro y el brazo esclavo están separados con el fin de impulsar el brazo esclavo en rotaciones importantes sin renunciar a los beneficios del mando por producción de un movimiento manual eventualmente asociado con un retorno de esfuerzo hacia el operador.

Desde una definición general, la invención se refiere a un brazo de telemanipulador que comprende un brazo maestro y un brazo esclavo desprovistos de transmisión mecánica directa que los una, pero provistos de un sistema de interfaz que comprende una parte de control, de índole más bien eléctrica e informática, y una parte motriz, que actúa las transmisiones mecánicas incluidas en el brazo esclavo bajo el mando de señales emitidas por la parte de control en respuesta a indicaciones de movimientos realizados sobre el brazo maestro; la parte motriz comprende una envoltura estacionaria, un tambor en montaje giratorio en la envoltura y fijado al brazo esclavo y un motor estacionario, así como una transmisión que conecta el tambor al motor y que permite hacer girar el tambor una vuelta completa.

La conservación del brazo maestro implica la de los retornos de esfuerzo aplicados al operador, después de una conversión de los esfuerzos residentes en el brazo esclavo en señales eléctricas mediante el sistema de interfaz.

Estos objetos de la invención, al igual que otros, se describirán ahora en relación con las figuras:

la figura 1 ilustra el aspecto general de la invención;

la figura 2 ilustra el sistema de accionamiento del brazo esclavo; y

las figuras 3, 4 y 5 ilustran algunos aspectos particulares de la invención.

Se aborda la figura 1. Un brazo esclavo 1 comprende un primer segmento 3 tubular, encastrado a través de una pared de protección 2, y un tren 4 de otros segmentos articulados entre sí y con el primer segmento 3 y situados más allá de la pared de protección 2 en el medio hostil de trabajo; un brazo maestro 5 dispuesto a cierta distancia del brazo esclavo 3; y un sistema de interfaz 6 compuesto por una parte de control 7 y de una parte motriz 8 fijada a la pared de protección 2 y unida al brazo esclavo 3. Unas líneas eléctricas 9 y 10 conectan la parte de control 7 al brazo maestro 5 y a la parte motriz 8 para actuarla en función de los movimientos de éste. Finalmente, una ventanilla 11 permite al operador que sostiene el brazo maestro 5 observar el efecto de su acción sobre el brazo esclavo 1 y la herramienta 12 (a menudo una pinza).

Se pasa a la figura 2 para una vista principal de la parte más destacable de la invención, es decir, la parte motriz 8. Comprende principalmente una envoltura 13 estacionaria, un tambor 14 que gira en la envoltura 13, un motor 15 estacionario de accionamiento 2 del tambor 14 y una transmisión por engranaje 16 que asegura este accionamiento, que comprende un piñón sobre el árbol de salida del motor 15 y una corona sobre el tambor 14. El piñón puede engranar con la corona o estar conectado a ella mediante una correa dentada u otro medio. La envoltura 13 está montada sobre la pared de protección 2 mediante un dispositivo de anclaje 17. El tambor 14 se sustenta sobre la envoltura 13 por medio de cojinetes 18 que permiten su giro y se extiende por lo menos parcialmente en una porción cilíndrica 19 de la envoltura 13. El motor 15 se extiende en otra porción 20 de la envoltura 13 y queda fijado a ella. La transmisión 16 comprende un piñón 21 fijado al árbol de salida del motor 15 y una corona 22 que engrana con el piñón 21, rodeando una porción del tambor 14. Este sistema permite hacer girar el tambor 14 una vuelta completa, y más, alrededor de un eje concurrente con el del primer segmento 3, que es adyacente al extremo del tambor 14 y en su prolongación. La unión completa puede establecerse mediante el atornillado de bridas 23 en contacto pertenecientes a estas dos piezas. La rotación del tambor 14 acciona por tanto la del primer segmento 3, así como la de todo el brazo esclavo 1.

El tambor 14 contiene cierto número de motores de mando, entre los que se puede distinguir un motor central 24, siendo los demás (en número de seis, aunque aquí sólo está representado uno) motores laterales 25. Cada uno de estos motores de mando 24 y 25 está asociado a una transmisión que se extiende en el brazo esclavo 1 para actuar un segmento del tren 4 y que comprende típicamente una barra de transmisión en el segmento tubular 3. La barra asociada con el motor de mando central 24 lleva la referencia 26 y las barras asociadas con los demás motores de mando 25 llevan la referencia 27 (igualmente aquí sólo está representada una). La barra 26 se prolonga en el tambor 14 mediante un árbol 28 de salida del motor 1 y las barras 27 mediante árboles 29 que son accionados por los motores laterales 25 por medio de transmisiones de correa dentada 30 que permiten desplazar los motores laterales 25 correspondientes cerca de la periferia del tambor 14 y sólo tienen una holgura muy pequeña. Las barras 26 y 27 se juntan con los árboles 28 y 29 mediante acoplamientos 31 por pasadores u otros. La barra 26 está destinada a hacer bascular el segmento articulado con el segmento tubular 3 y también el resto del tren 4, en dirección vertical, lo que puede producir un momento importante de reacción debido a la gravedad e impone una potencia adecuada al motor de mando 24 y una resistencia apropiada de la transmisión mecánica, mientras que los esfuerzos que se ejercen sobre las barras 27, los árboles 29 y los motores laterales 25 son mucho menos importantes, lo que permite el empleo de transmisiones 30 frágiles. Asimismo, el pivotamiento del segmento tubular 3 exige resistir un gran esfuerzo, lo que justifica el empleo de una transmisión resistente por engranaje 16.

Se han representado también los conectores eléctricos 31 que reciben los alambres de la línea 10 y están ubicados sobre la envoltura 13, un dispositivo de enrollamiento de cables 32 que permite alimentar debidamente los motores de mando 24 y 25 con electricidad y un dispositivo de fin de recorrido 33. Ahora se van a describir los dos últimos dispositivos con ayuda de las figuras siguientes.

La figura 3 representa el enrollador de cable 32. Está dispuesto en un espacio anular entre la parte cilíndrica 19 que contiene el tambor 14 y el propio tambor 14 y consiste principalmente en una pieza en arco de círculo 34 en montaje libre en este espacio y cuyos extremos por lo menos están provistos de rodillos 35. Además, los cables 36 de enlace con el tambor 14 presentan un punto de sujeción 37 al tambor 14 y un punto de sujeción 38 a la envoltura 13. Su extensión es de un poco más de una circunferencia del tambor 14. Las características del dispositivo y de su funcionamiento pueden resumirse así: el brazo esclavo 5 y, particularmente, el segmento tubular 3 tienen que girar para quedar ubicados en todas las posiciones angulares; bastan recorridos de una vuelta para ubicar la herramienta 12 en todas las posiciones posibles, pero es necesario un recorrido angular un poco más grande para absorber el frenado del brazo y activar los dispositivos de fin de recorrido. La pieza en arco de círculo 14 distribuye la longitud de los cables 36 en un cordón exterior contiguo a la porción cilíndrica 19 y un cordón interior contiguo al tambor 14 a ambos lados de uno de los rodillos 35. Este punto corresponde a una posición extrema del tambor 14. Al desplazar éste en el sentido de las agujas del reloj, se tira del cordón interior de los cables 36 al tiempo que se reduce la longitud del cordón exterior y se hace girar la pieza en arco de círculo 34. La rotación se permite hasta que haya desaparecido el cordón exterior. Mediante la pieza en arco de círculo 34, que sirve de espaciador en cualquier posición, queda garantizada una posición adecuada de los cables 36. El tambor 14 puede girarse una vuelta y más sin dificultad y con poco rozamiento. En la práctica, los cables quedan ubicados en una cadena de protección cerca de su radio de curvatura medio para minimizar el rozamiento de los cables entre sí.

La figura 4 ilustra el dispositivo de fin de recorrido 33. En la periferia del tambor 14 está dispuesta una hélice 39. Sobre la envoltura 13 están montados dos contactos de fin de recorrido. Sobre la envoltura 13 también está montada una corredera 41 que lleva un carro 42 que se desliza sobre ella. El carro 42 comprende una leva 43 que puede hacer tope con los contactos de fin de recorrido 40 y un par de ruedecillas 44 que ciñen la hélice 39, formando una entalladura del carro en la que ésta se encastra. La rotación del tambor 14 hace marchar la hélice 39 entre las ruedecillas 44 al tiempo que las desplaza, así como el resto del carro 42, estando las correderas 41 paralelas al eje de rotación del tambor 14 y al de la hélice 39. Cuando la leva 43 toca los contactos de fin de recorrido 40, se impone una parada del movimiento del tambor 14. Los contactos de fin de recorrido 40 están conectados a la parte de control 7 mediante líneas eléctricas no mostradas para señalar estos estados. Este procedimiento asegura la protección del enrollador sobre su recorrido angular de rotación.

Con ayuda de la figura 5 se muestra un perfeccionamiento particular. Éste se aplica a determinados brazos esclavos conocidos que se caracterizan porque los últimos segmentos del tren 4 son deslizantes, para hacer variar la longitud del brazo esclavo 1, en vez de giratorios. Esta característica se refiere aquí a tres segmentos de extremo 45, 46 y 47. La transmisión que permite regular el despliegue del segmento 46 medio respecto al segmento 45 precedente comprende un tornillo sin fin 48 dispuesto a través de un manguito roscado 49 fijado al segmento 46 medio, quedando el tornillo sin fin 48 retenido en una posición fija del segmento precedente 45 mediante pestañas 50. Ésta gira accionada por medios de engranaje, cónico, por barra de transmisión, etc., atravesando los segmentos anteriores y terminando en una de las barras de transmisión y uno de los motores de mando 25. Por ser conocida la estructura de este brazo, sólo se ha mostrado parcialmente su estructura y la transmisión. Lo mismo se aplica para la transmisión de mando del movimiento del segmento extremo 47. Se apuntará simplemente que ésta comprende un elemento de cable 50 de doble cordón, conduciendo respectivamente los cordones a un par de poleas 52 accionadas por una misma barra de mando 27. Por su extremo opuesto conducen a un punto de fijación común 53 sobre el segmento extremo 47, pasando además uno de ellos por una polea de reenvío 54 fijada a la parte inferior del segmento mediano 46. Como los cordones se enrollan sobre las poleas 52 en sentidos opuestos, una rotación de la barra 27 desenrolla uno y enrolla el otro, haciendo que cooperen en el despliegue o en la retracción del segmento extremo 47 en el segmento medio 46. Conviene destacar que la rotación del tornillo sin fin 48 desplaza no solamente el segmento medio 46, sino también el segmento extremo 47, ya que los cordones del cable 51 también pasan por otra polea de reenvío 55 solidaria con un carro 56 montado sobre el segmento precedente 45 y que está conectado al segmento medio 46 por otro cable 57. Un desplazamiento del segmento medio 46, por ejemplo hacia abajo, distiende el cable 57, lo que permite que el carro 56 se eleve a lo largo del segmento precedente 45 la mitad de este desplazamiento, cada uno de los cordones del cable 51 se distiende en este semidesplazamiento a cada lado de la polea de reenvío 55, y el segmento extremo 47 desciende en la misma cantidad que el segmento mediano 46.

La transmisión al tornillo sin fin 48 es robusta, pero no la propia al cable 51. Se da el caso de que los segmentos del tren 4 tienen que resistir un esfuerzo importante, como una carga pesada. Se contempla entonces bloquear el movimiento del cable 51 y recurrir solamente al movimiento permitido por el tornillo sin fin 48. Esto se consigue mediante un freno mecánico 58 que bloquea la rotación del árbol 29 asociado con la transmisión al cable 51 y que puede consistir en un disco de rozamiento o una garra móvil. El motor 25 y la transmisión 30 asociados quedan aliviados del esfuerzo soportado por la barra de mando 27.

Un brazo maestro 5 adecuado puede ser el que desarrolla la compañía Haption con la referencia Virtuose 6D 4040. Su capacidad en esfuerzo está limitada a 4 kilogramos. Su rozamiento (relacionado con su capacidad) es comparable con el del brazo esclavo 1 y con el de un telemanipulador convencional. También conviene destacar que la parte de control 7 también puede trabajar con retorno de esfuerzo, es decir, registrar los esfuerzos soportados por el brazo esclavo 1, gracias a los esfuerzos que los motores de mando tienen que proporcionar o mediante sensores apropiados ubicados sobre los motores o las transmisiones, y hacer que los experimente el operador creando esfuerzos en motores del brazo maestro. Sin embargo, está previsto que la separación del brazo maestro 5 y del brazo esclavo 1 permitirá controlar el brazo maestro 5 mucho más fácilmente, con esfuerzos reducidos que permiten al operador utilizar dos brazos a la vez, uno en cada mano, lo que le dará posibilidades de trabajo mucho más importantes que con los brazos generalmente fatigosos que se conocen hoy en día. Se puede adaptar otra forma de mando en la que un solo brazo maestro y un operador puede controlar por sí solo dos brazos esclavos del puesto de trabajo, lo que permite en particular doblar la capacidad de esfuerzo y desarrollar pares importantes operando en oposición sobre una pieza en dos puntos separados. Se advierte finalmente que el equilibrado del brazo esclavo 1 puede hacerse ventajosamente con precisión gracias al control por soporte lógico que puede calcular los pares y esfuerzos debidos a la gravedad. Llegado el caso, un equilibrado por contrapeso será mucho más fácil de lograr en ausencia de un brazo maestro que esté conectado a él mecánicamente.

Claims (6)

1. Brazo de telemanipulación, que comprende un brazo maestro (5) manejado por un operador, un brazo esclavo (1) que comprende un primer segmento (3), tubular, encastrado a través de una pared (2) y otros segmentos que terminan en un órgano de manipulación (12), componiendo dichos segmentos un tren articulado (4), estando el brazo maestro y el brazo esclavo desprovistos de transmisión mecánica directa que los una, pero provistos de un sistema de interfaz que comprende una parte de control (7) y una parte motriz (8), estando la parte motriz acoplada al segmento tubular (3) y comprendiendo motores (24, 25) de mando de transmisiones mecánicas (26, 27) incluidas en el brazo esclavo (1), y actuando la parte de control (7) los motores en respuesta a indicaciones de movimiento realizadas sobre el brazo maestro (5), comprendiendo la parte motriz (8) una envoltura estacionaria (13), caracterizado por un tambor (14) en montaje giratorio en la envoltura y fijado al segmento tubular (3), un motor estacionario (15) y una transmisión (16) que comprende una corona (22) alrededor del tambor (14) y un órgano (21) de engranaje de la corona y que conecta el tambor (14) al motor estacionario (15).

2. Brazo de telemanipulador según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende un enrollador de cables eléctricos que conducen a los motores de mando.

3. Brazo de telemanipulador según la reivindicación 2, caracterizado porque el enrollador (32) comprende una pieza en arco de círculo (34) libre entre el tambor (14) y una porción cilíndrica de la envoltura (13), estando los cables eléctricos (36) fijados a un punto del tambor y a un punto de dicha porción cilíndrica.

4. Brazo de telemanipulador según la reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizado porque comprende interruptores de fin de recorrido (33) del tambor, comprendiendo partes estacionarias y partes móviles montadas sobre un carro (42) deslizante, y una hélice (39) fijada al tambor y que se encastra en una entalladura del tambor.

5. Brazo de telemanipulador según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque una (26) de las transmisiones mecánicas incluidas en el brazo esclavo, que acciona el giro de uno de los segmentos del tren, que es adyacente al primer segmento, y el motor de mando (24) que acciona dicha transmisión mecánica, están ubicados a lo largo de un eje de rotación del primer segmento.

6. Brazo de telemanipulador según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dos de los segmentos del tren se someten a movimientos deslizantes mediante dos de las transmisiones mecánicas, de las que una comprende un cable y la otra comprende un tornillo sin fin, y porque un bloqueador mecánico (58) de la transmisión que comprende el cable está previsto en la parte motriz del sistema de interfaz.