Brazo manipulador de cargas con pares de actuación reducidos.

La patente describe un brazo manipulador (1,

1', 1'') de cargas con bajos pares de actuación, que comprende varios eslabones (6, 6', 6'', 10, 10', 10'') intermedios unidos entre sí por articulaciones (5, 5', 5'', 9, 9', 9''), donde el último eslabón (14, 14', 14'') está unido a una articulación activa (13, 13', 13''), comprendiendo un mecanismo de cuatro barras (11a, 11a', 11a'', 11b, 11b', 11b'', 12, 12', 12'', 15, 15', 15'') cuya barra de extremo (15, 15', 15''), que se proyecta hacia abajo en dirección vertical, tiene un punto de enganche (23) al que se acopla la carga.

Brazo manipulador de cargas con pares de actuación reducidos.

Objeto de la invención

El objeto principal de la presente invención es un brazo manipulador de cargas pesadas que reduce los pares de actuación requeridos para mover las cargas. Está dirigido tanto a manipuladores automáticos como a aquellos que son guiados total o parcialmente por operarios.

Antecedentes de la invención

La manipulación de cargas pesadas en puestos fijos de instalaciones industriales ha sido un área de aplicación tradicional de los robots manipuladores. Sin embargo, la capacidad sensorial de estos sistemas es muy inferior a la capacidad sensorial humana. Por estos motivos, en los últimos años se han descrito manipuladores con diferentes grados de libertad pasivos y un número limitado de grados de libertad activos para elevar las cargas. En este contexto, un grado de libertad pasivo es aquel que se mueve directamente con la fuerza que ejerce el operario, mientras que para la manipulación de altas inercias se emplean grados de libertad activos, que son aquellos que se mueven empleando medios hidráulicos, eléctricos o similares.

Los documentos US 4,557,659 y US 6,299,139 describen algunos dispositivos manipuladores de este tipo. El documento US 6,204,620 dispone de un sistema de guiado basado en la fuerza que ejerce el operario sobre unos dispositivos sensorizados. Estos dispositivos se basan en sensores de fuerza o galgas extensométricas que normalmente sólo consideran las componentes verticales, mientras que las componentes horizontales son pasivas y es el operario quien aplica directamente la fuerza.

El documento de número de solicitud ES200202196 describe un dispositivo manipulador para uso en entornos industriales y de servicios que asiste a los operarios en la manipulación e instalación de objetos pesados. En particular, este dispositivo está especialmente indicado para manipulación e instalación de diferentes elementos en construcción de viviendas como: paneles prefabricados para tabiquería, puertas, ventanas, etc.

Descripción de la invención

En el presente documento, llamaremos "eslabones" a cada uno de los elementos del brazo manipulador que están conectados entre sí por "articulaciones". Así, cada articulación corresponde a un grado de libertad del brazo manipulador. Por otro lado, diremos que una articulación es "activa" cuando es accionada por medios hidráulicos, eléctricos, o similares, en contraposición con una articulación "pasiva", que es accionada por el propio operario. Finalmente, se emplearán los términos "distal" y "proximal" para hacer referencia a los extremos de los eslabones respectivamente más lejano y más cercano a la base a la que está anclado el brazo manipulador de la invención.

La presente invención está dirigida a un brazo manipulador de cargas pesadas, que comprende varios eslabones intermedios unidos entre sí por articulaciones activas y/o pasivas, y donde el último eslabón, que está siempre unido a una articulación activa, comprende un mecanismo de cuatro barras cuya barra de extremo se proyecta hacia abajo en dirección vertical y tiene un punto de enganche al que se acopla la carga.

Mediante el empleo del mecanismo de cuatro barras en esta posición se consigue una reducción drástica de los pares y fuerzas requeridos para elevar las cargas. Además, todos los eslabones intermedios están situados por encima de la cabeza del operario, en particular a una altura superior a 2,0 metros, permitiendo que éste se mueva libremente bajo la estructura del brazo manipulador y reduciendo así el riesgo de accidentes.

Normalmente, el mecanismo de cuatro barras que constituye el último eslabón del brazo manipulador es recto. Sin embargo, en realizaciones preferidas de la invención el mecanismo de cuatro barras tiene una curvatura hacia arriba o hacia abajo, lo cual permite aumentar su volumen de trabajo, como se observará en las figuras más adelante en el presente documento.

En una realización preferida más de la invención, la barra de extremo del brazo manipulador de la invención comprende además una muñeca. Una muñeca es un conjunto de articulaciones que permiten orientar las cargas en función de las necesidades de tareas específicas. La muñeca de la invención puede comprender cualquier número de articulaciones dispuestas de cualquier modo. En una realización preferida de la invención, la muñeca comprende una articulación de orientación, para orientar la carga en un plano horizontal, aunque también puede comprender una articulación de cabeceo, para orientar la carga en un plano perpendicular, y también una articulación de balanceo, para balancear la carga. Estas articulaciones se pueden mover de forma independiente o acoplada en diferentes combinaciones, aunque en una realización particular de la invención las articulaciones de cabeceo y balanceo se mueven de forma acoplada.

Finalmente, la presente invención comprende además un sensor dispuesto junto al punto de enganche que proporciona la fuerza y el par originados por la carga en al menos una dirección, preferiblemente tres. Estas medidas serán empleadas por el sistema de control del brazo manipulador para adecuar sus movimientos a las condiciones de la carga.

Descripción de los dibujos

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1.- Muestra un esquema del brazo manipulador de acuerdo con una primera realización preferida de la invención.

Figura 2a y 2b.- Muestran respectivamente una vista lateral y una vista superior del dispositivo de la Fig. 1.

Figura 3a y 3b.- Muestran respectivamente una vista lateral y una vista superior de una segunda realización preferida del brazo manipulador de la invención.

Figura 4. - Muestra una vista lateral de una realización preferida más del brazo manipulador de la invención.

Figura 5.- Muestra otra vista lateral de aún otra realización preferida del brazo manipulador de la invención donde se aprecia el bastidor de anclaje al techo.

Figuras 6.- Muestra una realización preferida de una muñeca de acuerdo con la invención donde las articulaciones de cabeceo y balanceo se mueven independientemente.

Figura 7.- Muestra una realización preferida de una muñeca de acuerdo con la invención donde las articulaciones de cabeceo y balanceo se mueven conjuntamente.

Figura 8.- Muestra un ejemplo de realización en el que la muñeca comprende únicamente una articulación de orientación.

Realización preferente de la invención

Se describen a continuación algunas realizaciones preferidas de la invención, haciendo referencia a las figuras adjuntas. Las Figs. 1, 2a y 2b, en particular, muestran un brazo manipulador (1) para el manejo y desplazamiento de cargas elevadas con pares de actuación reducidos.

El brazo manipulador (1) de este ejemplo consta de un sustentáculo o columna (2) cuyo extremo proximal está fijado a una base (3) anclada al suelo, y que permite mantener toda la estructura del brazo manipulador (1) por encima de la cabeza del operario. Sobre el extremo distal de la columna (2) se sitúa una primera articulación rotatoria (5) de eje vertical, que puede estar accionada por medios eléctricos, hidráulicos, neumáticos u otros, y que en el presente ejemplo es accionada por un motor eléctrico (50). Esta primera articulación rotatoria (5) está conectada al extremo proximal de un primer eslabón (6), de modo que produce un giro relativo de dicho primer eslabón (6) respecto de la columna (2). En este ejemplo, el primer eslabón (6) está formado por una estructura parecida a una viga. A su vez, el extremo distal del primer eslabón (6) dispone de una segunda articulación rotatoria (9) de eje vertical que lo conecta con un segundo eslabón (10), y que está accionada por un segundo motor eléctrico (51). En esta realización particular de la invención, el segundo eslabón (10) está formado por una plancha (40) unida a un par de soportes que constituyen la barra (12), como se explicará más adelante. El segundo eslabón (10) aloja un tercer motor eléctrico (52) junto a su extremo distal para accionar una...

1. Brazo manipulador (1, 1', 1'') de cargas con pares de actuación reducidos, que comprende varios eslabones (6, 6', 6'', 10, 10', 10'') intermedios unidos entre sí por articulaciones (5, 5', 5'', 9, 9', 9''), caracterizado porque el último eslabón (14, 14', 14'') está unido a una articulación activa (13, 13', 13''), comprendiendo un mecanismo de cuatro barras (11a, 11a', 11a'', 11b, 11b', 11b'', 12, 12', 12'', 15, 15', 15'') cuya barra de extremo (15, 15', 15''), que se proyecta hacia abajo en dirección vertical, tiene un punto de enganche (23) al que se acopla la carga.

2. Brazo manipulador (1, 1', 1'') de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el mecanismo de cuatro barras (11a, 11b, 12, 15) es recto.

3. Brazo manipulador (1, 1', 1'') de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el mecanismo de cuatro barras (11a', 11b', 12', 15') comprende una curvatura hacia abajo que permite aumentar su volumen de trabajo.

4. Brazo manipulador (1, 1', 1'') de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el mecanismo de cuatro barras (11a'', 11b'', 12'', 15'') comprende una curvatura hacia arriba que permite aumentar su volumen de trabajo.

5. Brazo manipulador (1, 1', 1'') de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la barra de extremo (15, 15', 15'') comprende además una muñeca (60).

6. Brazo manipulador (1, 1', 1'') de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque la muñeca (60) comprende al menos una articulación de orientación (19) que permite orientar la carga que se manipula en un plano horizontal.

7. Brazo manipulador (1, 1', 1'') de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque la muñeca (60) comprende además una articulación de cabeceo (20) que permite orientar la carga que se manipula en un plano perpendicular.

8. Brazo manipulador (1, V, 1'') de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque la muñeca (60) comprende además una articulación de balanceo (21) que permite balancear la carga que se manipula.

9. Brazo manipulador (1, 1', 1'') de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque la articulación de orientación (19), la articulación de cabeceo (20) y la articulación de balanceo (21) de la muñeca se mueven independientemente.

10. Brazo manipulador (1, 1', 1'') de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque la articulación de cabeceo (20) y la articulación de balanceo (21) de la muñeca se mueven de forma acoplada.

11. Brazo manipulador (1, 1', 1'') de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende un sensor (22) dispuesto junto al punto de enganche (23) que proporciona la fuerza y el par originados por la carga en al menos una dirección.

12. Brazo manipulador (1, 1', 1'') de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-10, caracterizado porque comprende un sensor (22) dispuesto junto al punto de enganche (23) que proporciona la fuerza y el par originados por la carga en al menos tres direcciones.

13. Brazo manipulador (1, 1', 1'') de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los eslabones (6, 6', 6'', 10, 10', 10'') intermedios se desplazan a una altura mayor que 2,0 metros, reduciéndose así el riesgo de accidentes.