CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se enmarca de manera general en el sector de maquinaria y equipo mecánico. Específicamente, la presente invención está orientada al campo de los robots de servicio y asistenciales. Concretamente aquellos que presenten articulaciones de revolución.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las aplicaciones de los robots manipuladores se están extendiendo a nuevos escenarios en los que pueden interaccionar con entornos desconocidos y realizar tareas cooperativas con los humanos. En este contexto, se han presentado nuevos retos en cuanto a cómo garantizar la seguridad del entorno, de las personas y del propio robot. Recientemente se ha mostrado gran interés en el desarrollo de los llamados Actuadores de Rigidez Variable como medio para reducir el daño en el caso de un choque accidental del robot sobre su entorno [1 -1 8]. Esta reducción se consigue gracias al componente elástico de dicho actuador, donde su función es desacoplar mecánicamente la inercia dei rotor del motor de la inercia del eslabón de! brazo robot, de manera que la inercia del primero no contribuya en la fuerza generada en el impacto.

A diferencia de los actuadores rígidos de los robots industriales, con un actuador flexible es más difícil posicionar con exactitud el efecto final del brazo robot o seguir una determinada trayectoria con precisión. En este caso, un actuador con rigidez variable puede actuar de manera rígida durante movimientos precisos a baja velocidad y aumentar su flexibilidad en desplazamientos a elevada velocidad donde ¡a precisión en la trayectoria seguida es menos importante.

De entre los actuadores de rigidez variable que se utilizan en articulaciones de revolución de brazos robóticos, el mayor número de ellos presentan el inconveniente de que no permiten adoptar una configuración totalmente rígida [2-1 7]. Además, ninguno de los actuadores conocidos dispone de algún dispositivo que permita que e! actuador se comporte de manera totalmente rígida mientras que no se supere un cierto valor de par sobre la articulación y, una vez superado dicho valor de par umbral entre en funcionamiento el mecanismo que aporta flexibilidad al actuador. La presente invención da solución a estos dos inconvenientes encontrados en los actuadores de rigidez variable conocidos.

[1 ] V. R. Ham, T. C. Sugar, B. Vanderborght, K. W. Hoílander and D, Lefeber, "Compliant actuator designs: Review of actuators with passive adjustable compliance/controilable stiffness for robotic applications," IEEE Robotics and Automation Magazine, vol. 1 6, pp. 81 -94, 2009.

[2] A. Bicchi and C. Tonietti, "Fast and "soft-arm" tactics," ÍEEE Robotics and Automation Magazine, vol. 1 1 , pp. 22-33, 2004.

[3] S. A. Migliore, E. A. Brown and S.P. DeWeerth, "Bioiogicaiiy inspired joint stiffness control," IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 451 9-4524, 2005.

[4] M. Zinn, B. Roth, O. Khatib, and J.K. Dalisbury, "A new actuation approach for human friendly robot design," The International Journal of Robotics Research, vol. 23, pp. 379-398, 2004. [5] A. Albu-Schaffer, O. Eiberger, M. Crebenstein, S. Haddadin, C. Ott, T. Wimbóck, S. Wolf and C. Hirzinger, "Soft robotics," IEEE Robotics and Automation Magazine, vol. 15, pp. 20-30, 2008. [6] D. Hyun, H. S. Yang, J. Park and Y. Shim, "Variable stiffness mechanism for human-friendly robots," Mechanism and Machine Theory, voi. 45, pp. 880-897, 2010. [7] A. Pratt, M.M. Williamson, "Series elastic actuators," IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 399-406. 1995.

[8] T. Morita, S. Sugano, "Design and development of a new robot joint using a mechanical impedance adjuster ΊΕΕΕ International Conference on Robotics and Automation, pp. 2469-2475. 1995.

[9] R. Schiavi, C. Crioli, S. Sen, and A. Bicchi, "VSA-II : A novel prototype of variable stiffness actuator for safe and performing robots interacting with humans", IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 21 71 -21 76. 2008.

[10] M. C. Catalano, R. Schiavi, and A. Bicchi, "Mechanism design for variable stiffness actuation based on enumeration and anaiysis of performance," IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 3285-3291 . 2010.

[1 1 ] B. Vanderborght, N.C. Tsagarakis, C. Semini, R.V. Ham, and D.C. CaldweII, "MACCEPA 2.0: Adjustable compliant actuator with stiffening characteristic for energy efficient hopping," IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 544-549. 2009.

[1 2] A.C. Rodríguez, N.E.N. Rodríguez, and A.C.C. Rodríguez, "Design and validation of a novel actuator with adaptable compliance for applícation in human-like robotics," Industrial Robot, vol. 36, pp. 84-90. 2009. [13] H.S. Kim, J.J. Park, and J.B. Song, "Safe joint mechanism using double slider mechanism and spring for humanoid robot arm", IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots, pp. 73-78. 2008. [14] D. Hyun, H. S. Yang, J. Park, and Y. Shim, "Variable stiffness mechanism for human-friendly robots," Mechanism and Machine Theory, vol. 45, pp. 880-897, 201 0.

[15] A. Jafari, N.G. Tsagarakis, B. Vanderborght, and D.G Caldwell, "A novel actuator with adjustable stiffness (AwAS}," IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp .4201 -4206, 201 0.

[1 6] B. S. Kim, and J. B. Song, "Hybrid dual actuator unit: A design of a variable stiffness actuator based on an adjustable moment arm mechanism," IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 1 655-1 660, 201 0.

[1 7] L Visser, R. Carloni, R. Unal, and S. Stramigioli, "Modeling anddesign of energy efficient variable stiffness actuators," lEEEInternational Conference on Robotics and Automation, pp. 3273-3278, 201 0.

[18] A. Jafari, N. Tsagarakis, and D. Caldwell, "AwAS-ll : A New Actuator with Adjustable Stiffness based on the Novel Principie of Adaptable Pivot point and Variable Lever ratio," IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 4638-4643, 201 1 .

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención objeto de la presente memoria se refiere a un actuador con mecanismo de rigidez variable y par umbral, de entre aquellos actuadores destinados a su uso en articulaciones de revolución de brazos robóticos y que incorporan algún mecanismo que permite variar la rigidez de la articulación. Caracteriza esta invención un especial mecanismo que permite variar la rigidez y adoptar también una configuración totalmente rígida, y que dispone de un dispositivo de par umbral ajustable, el cual evita que entre en funcionamiento el mecanismo hasta que no se haya sobrepasado un cierto valor de par sobre la articulación, siendo este valor de par ajustable a conveniencia.

El actuador objeto de la presente invención consta de un primer motor eléctrico que controla la posición de equilibrio del eslabón de salida de la articulación, donde el eje de salida de este motor actúa sobre una polea motriz en la que van fijados por medio de dos tensores, y arrollados en sentidos opuestos, sendos cables; los cuales, tras pasar por unas poleas guías se fijan a una barra. La tensión de cada uno de los cables aumentará según sea el sentido de giro de !a polea motriz, quedando el otro cable sin tensión. La barra anterior está articulada en su otro extremo a un rodillo que puede rodar sobre una palanca. Un tercer cable fijado al eje del rodillo es redirigido por medio de una polea guía y fijado al extremo libre de un resorte o elemento elástico por medio de un tensor. Tanto las poleas guías, como la articulación de la palanca y el extremo fijo del resorte o elemento elástico, son solidarios al eslabón de salida de la articulación. El resorte o elemento elástico permite aportar flexibilidad mecánica entre la posición de salida de ¡a polea motriz y la posición del eslabón de salida de la articulación. El valor de esta flexibilidad o rigidez mecánica viene dado por la posición angular de la palanca, la cual se puede modificar por medio de un segundo motor eléctrico.

Cuando la palanca se coloca en posición perpendicular a la barra sobre la que está articulado el rodillo, el actuador es totalmente rígido, no pudiendo haber desviación entre posición de la polea motriz y la posición del eslabón de salida. Si la palanca se coloca en posición paralela a la barra, e! mecanismo adopta su configuración de mínima rigidez. En posiciones de palanca intermedias a las dos anteriores, el mecanismo adopta rigideces intermedias, pudiendo haber desviación entre la posición de la polea motriz y la posición del eslabón al comprimirse el resorte.

Otra novedad de la presente invención es la presencia de un par umbral ajustable. Los tensores permiten dar una cierta precarga a los cables, de manera tal que sea necesario un cierto valor de par ejercido sobre la articulación para que el resorte empiece a comprimirse. Esto se explica porque los dos cables que van fijados a la polea motriz tienen inicialmente un mismo valor de carga. Cuando se empieza a aplicar par sobre la articulación, en uno de los cables aumenta la magnitud de su carga mientras que en el otro disminuye. El resorte no empezará a comprimirse, y el mecanismo a actuar, hasta que el par aplicado sobre la articulación no sea suficiente como para hacer que la tensión de! cable menos cargado pase a ser nula. Ajustando la magnitud de la precarga de los cables se puede ajustar la magnitud del par necesario para que la tensión del cable menos cargado pase a ser nula y empiece a comprimirse el resorte.

El presente invento está orientado preferiblemente a su uso en articulaciones de brazos de robots de servicio y asistenciales, pero igualmente tiene aplicación en articulaciones de prótesis robóticas y robots andadores.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La presente invención se entenderá mejor con referencia a los siguientes dibujos que ¡lustran realizaciones preferidas de la invención, proporcionadas a modo de ejemplo, y que no deben interpretarse como limitativas de la invención de ninguna manera.

La figura 1 muestra una vista en planta del modo de realización preferente del actuador con mecanismo de rigidez variable y par umbral; la figura 2 muestra una vista en sección de la figura anterior; la figura 3 muestra una vista en planta de! actuador cuando el mecanismo de rigidez variable ha entrado en funcionamiento. MODOS DE REALIZACIÓN PREFERENTE

A la vista de lo anteriormente enunciado, la presente invención se refiere a un actuador con mecanismo de rigidez variable y par umbral de entre los utilizados en articulaciones de revolución de brazos robóticos y que pueden modificar su rigidez. Está esencialmente caracterizado por incorporar un motor eléctrico (1 ) cuyo eje de salida es solidario a la polea (2) sobre ¡a que se arrollan en sentidos opuestos una porción de vuelta sendos cables (3) y (4), y se fijan mediante dos tensores (5) y (6} respectivamente a dicha polea (2). Los cables (3} y (4), tras pasar por las poleas guía (7) y (8) respectivamente, se fijan a un extremo de la barra (9). Esta barra (9) está articulada en su otro extremo al eje (1 0) de un rodillo (1 1 ) que puede rodar sobre la palanca (1 2). Esta palanca (1 2} y las poleas (7} y (8) están articuladas sobre el eslabón de salida (1 3), donde este eslabón (1 3) puede girar sobre el eje de salida del motor (1 ). Otro motor eléctrico (1 4) actúa sobre el eje de giro de ¡a palanca (1 2) pudiendo modificar ¡a posición angular de la misma. Un extremo del cable (1 5) va fijado al eje (1 0) del rodillo (1 1 ), el otro extremo del cable (1 5), tras pasar por la polea guía (1 6), va fijado por medio del tensor (1 7) al extremo libre dei resorte (1 8). El otro extremo del resorte (1 8) va fijado al eslabón (1 3).

La presente invención está caracterizada porque la rigidez del mecanismo se puede modificar variando la posición angular de la palanca (1 2). El eje de giro de la palanca (1 2) es coincidente con el eje (1 0) del rodillo (1 1 ) mientras el mecanismo de rigidez variable no entra en funcionamiento. La figura 3 muestra una configuración en la que ha entrado en fu ncionamiento el mecanismo; donde el giro de la polea (2) respecto del eslabón (1 3) provoca un desplazamiento de! rodillo (1 1 ) que rueda sobre la palanca (1 2); este desplazamiento provoca a su vez la compresión del resorte (1 8) al ser sometido a una fuerza de compresión por el cable (1 5). Cuando la posición angular de la palanca (12) es tal que es perpendicular a la barra (9), el mecanismo es totalmente rígido, no pudiéndose producir giro de la polea (2) respecto del eslabón (1 3). Los tensores (5) y (6) permiten dar una precarga inicial a los cables (3) y (4), de manera tal que es necesario un cierto valor de par ejercido por el motor (1 ) para que el resorte (18) empiece a comprimirse. El valor de este par umbral puede ajustarse variando la precarga inicial de los cables (3) y (4).

No altera la esencialidad de esta invención variaciones en materiales, forma, tamaño y disposición de los elementos componentes, descritos de manera no limitativa, bastando ésta para proceder a su reproducción por un experto.