SISTEMA DE COMPENSACIÓN DE DESPLAZAMIENTO DEL CENTRO DE GRAVEDAD POR MANIPULACIÓN DE CARGAS PARA SISTEMA AÉREO NO TRIPULADO EQUIPADO CON BRAZO ROBÓTICO.

Sistema de compensación de desplazamiento del centro de gravedad por manipulación de cargas para sistema aéreo no tripulado,

equipado con brazo robótico, que permite manipular cargas, y que incluye un sistema de control capaz de detectar o prever las variaciones del centro de gravedad del sistema realizando un control que aumente la estabilidad y precisión, incluyendo partes móviles para compensar total o parcialmente los desplazamientos del centro de gravedad del sistema provocados por los movimientos del sistema robótico y por las cargas manipuladas.

Sistema de compensación de desplazamiento del centro de gravedad por manipulación de cargas para sistema aéreo no tripulado equipado con brazo robótico

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un sistema aéreo no tripulado equipado con un sistema robótico que permite manipular cargas y que incluye un sistema de control capaz de detectar o prever las variaciones del centro de gravedad del sistema realizando un control que aumente la estabilidad y precisión incluyendo partes móviles para compensar total o parcialmente los desplazamientos del centro de gravedad del sistema provocados por los movimientos del sistema robótico y por las cargas manipuladas.

La presente invención se encuadra dentro del sector de la técnica de la aeronáutica y específicamente dentro del sector de la robótica aeronáutica y de los sistemas de control de aeronaves y sistemas aéreos no tripulados.

ESTADO DE LA TÉCNICA

El movimiento y la manipulación de cargas mediante un brazo robótico instalado en un vehículo provoca el desplazamiento del centro de gravedad del vehículo apareciendo momentos de fuerza que pueden impedir la operación o generar inestabilidades que lleguen a provocar el vuelco. Si el brazo manipulador se instala en un vehículo aéreo el problema es más relevante debido a que los mencionados desplazamientos del centro de gravedad y los pares de fuerza generados pueden provocar fácilmente la entrada en pérdida de la aeronave.

La detección, previsión y compensación de este tipo de perturbaciones representa un reto importante a la hora de conseguir dispositivos robóticos móviles y es por ello que existe numerosa bibliografía al respecto, así como un número elevado de patentes que enfocan el problema desde diversas perspectivas.

Existe una vasta bibliografía respecto al problema de manipular cargas con brazos articulados anclados y fijados a una superficie como el suelo o el techo. Para calcular y mitigar o adaptarse

a dichos efectos existen diversas estrategias como el empleo de sensores de fuerza o presión situados entre el dispositivo robótico y la carga, o el control en velocidad teniendo en cuenta los efectos inerciales provocados por la carga manipulada. En las patentes con números de publicación KR20000021209 [1], W08800368 [2], W02009088828 [3] ó US5444612 [4] se encuentran algunos ejemplos de dichas propuestas. Todas estas estrategias, métodos y sistemas son de poca utilidad cuando el dispositivo robótico está montado sobre un vehículo cuyo movimiento puede ser afectado por las masas e inercias del brazo robótico. En [5] se estudian estrategias de control para un brazo robótico móvil situado sobre un vehículo terrestre analizando la interrelación entre dicho brazo y el vehículo, intentando minimizar el error cometido en el posicionamiento.

Se pueden encontrar también múltiples referencias, tanto en patentes como en publicaciones nacionales e internacionales, sobre sistemas destinados a determinar los desplazamientos del centro de gravedad por manipulación de cargas tanto centrados en mostrar algún tipo de alarma como en la determinación precisa para la modificación de la actuación (US20090143896 [6]).Estos trabajos se basan en distintos tipos de sensores, principalmente de fuerza, pero en ningún caso los sistemas son capaces de modificar la configuración para compensar los desplazamientos del centro de gravedad.

En el ámbito de las aplicaciones espaciales se han realizado numerosos trabajos que consideran las interacciones entre el movimiento de brazos manipuladores y los vehículos que los portan ([7][8][9]), y se han presentado diferentes aproximaciones para incluir en el bucle de control los efectos de las partes móviles sobre la dinámica del sistema ([10][11 ][12][13][14]). Todas estas publicaciones, sin embargo, se centran sólo en la modificación de los algoritmos de control para contemplar el movimiento del brazo pero no emplean partes móviles específicamente dedicadas a compensar las fuerzas internas generadas. Además, la aplicación de estos sistemas y estrategias no es directa en ningún caso a los casos de vehículos no orbitales dado que no se ven afectados por la gravedad, un factor fundamental a tener en cuenta en el problema que resuelve la invención aquí presentada.

En el caso de sistemas aéreos, se han encontrado diversas invenciones, algunas incluso utilizadas en sistemas comerciales, para modificar el centro de gravedad. La más conocida consiste en la transferencia de combustible entre los diferentes depósitos de las aeronaves que utilizan, por ejemplo, algunos modelos de Airbus como el A380 o el A340. En la patente

W02009144046 [15] se muestra un método y dispositivo para controlar los modos de vibración verticales, para las dos primeras frecuencias naturales del sistema, cuando un helicóptero transporta una carga mediante un arnés. En la patente US2011084162 [16] se presenta un sistema y estructura que permite redistribuir la carga de manera inteligente cuando parte de ella se dispensa, acomodando el centro de gravedad del sistema aéreo no tripulado a la nueva distribución de cargas de forma que se mantenga en la misma vertical en la que estaría si no se transportase ninguna carga. Dicho sistema sólo es de aplicación a cargas transportadas con un arnés y no para la manipulación de cargas, pudiendo contemplarse solo el caso de realizar entregas parciales de la misma que permitan una reconfiguración del posicionamiento de dicha carga.

No se ha encontrado en la bibliografía previa ninguna invención para la compensación del desplazamiento de centro de gravedad por manipulación de cargas de sistemas aéreos no tripulados como la presentada en la presente patente.

Referencias:

[1]. P. Jong O, J. S. Hoon. "Automatic compensation method of forcé and torque sensor

for gravity weight". Patente KR20000021209

[2] , K. Mitsuo, S. Keiji, I. Takashi. "Robot Control apparatus". Patente W08800368

[3]. H. Jianmin, W. Jianjun, Z. Hui. "Method and apparatus using a forcé sensor to

provide load compensation for a robot". Patente W02009088828

[4] , T. Nobutoshi, N. Ryo, K. Tetsuaki. "Adaptative Pl control system". Patente

US5444612

[5]. N. A. M. Hootsmans and S. Dubowsky. "Large Motion control of mobile manipulators

including vehicle suspensión characteristics" Proceeding of the 1991 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Sacramento, CA. 1991

[6]. V. Janardhan, J. K. Berry, B. Mintah, E. G. Brandt, R. J. Price, K. D.King. "Payload

system with center of gravity compensation". Patente US20090143896.

[7]. S. Ali A. Moosavian and E.Papadopoulos. "Free-flying robots in space: an overview of dynamics modeling, planning and control" Robotica (2007) Vol 25, pp 537-547. Cambridge University Press. 2007.

[8]. Z. Vafa and S. Dubowsky. "The kinematics and dynamics of space manipulators: the

virtual manipulator approach" The International Journal of Robotics Research, Vol. 9, No. 4, pp 3-21. 1990

[9]. E. Papadopoulos and S. Dubowsky. "On the nature of control algorithms for space

manipulators" Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, Cincinnati, OH. 1990

[10]. G. J. Reuter et al. "An Intelligent, free-flying robot, in space station Automation". IV

SPIE Proceedings Series 1006, 20-27. 1995.

[11]. P. K. Khosla and T. Kanade. "Real-time implementation and evaluation of computed

torque scheme" IEEE Trans. Robot. Autom. 5(2), 245-253. 1989.

[12]. S. Chiaverini, L. Sciavicco and B. Siciliano. "Control of robotic Systems through

singularices" Proceedings of the International Workshop on Nonlinear and Adaptative Control Issues in Robotics, Grenoble, France, Nov. 1990. Advanced Robot Control, Lecture notes in Control and Information Sciences 162 (C. Canudas de Wit ed.) Springer-Verlag Berlín, D, pp 285-295 1991

[13]. K. Yoshida. "Impact Dynamics Representation and Control With Extended-Inversed

Inertia Tensor for Space Manipulators" Proceedings of the 6,h International Symposium on robotics Research, Pittsburgh, PA, pp 453-463.1994.

[14] , A. K. Swain and A. S. Morris. "Dynamic control of multi-arm co-operating manipulator

Systems" Robotica 22(3), 271-283. 2004

[15]. B. Hanno, H. Mario. "Method and device for actively damping vertical oscillations in a

helicopter having an attached exterior payload". Patente W02009144046

[16]. G. Emray, G. Katherine. "Autonomous payload parsing management system and

structure for an unmanned aerial vehicle". Patente US2011084162.

El sistema de compensación que se propone con la presente invención tiene principalmente cuatro ventajas frente...

1. Sistema aéreo no tripulado equipado con brazo mecánico articulado, caracterizado por incluir un dispositivo mecánico que convierte en móvil un elemento para compensar, bien total o bien parcialmente, el desplazamiento del centro de gravedad del sistema al moverse el brazo mecánico articulado.

2. Sistema aéreo no tripulado equipado con brazo mecánico articulado, de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la parte móvil es la batería del brazo articulado.

3. Sistema aéreo no tripulado equipado con brazo mecánico articulado de acuerdo con la reivindicación 1 que incluye un dispositivo para el control automático de la posición de la parte móvil, capaz de calcular el desplazamiento necesario para compensar total o parcialmente el desplazamiento del centro de gravedad del sistema al moverse el brazo mecánico.

4. Sistema aéreo no tripulado equipado con un brazo articulado de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 3, que además tiene la capacidad de enviar y recibir información hacia y desde el sistema de control de vuelo de la aeronave no tripulada.

5. Sistema aéreo no tripulado equipado con un brazo articulado de acuerdo con las reivindicaciones 1, 3 y 4 que incluye un sistema de control de vuelo capaz de compensar, por la modificación de sus parámetros característicos, la desviación del centro de gravedad propiciado por el movimiento del brazo mecánico, y no compensado por el sistema mecánico de desplazamiento de la batería, o la carga manipulada o los momentos producidos por la actividad realizada con el brazo mecánico mediante la modificación de las actuaciones del sistema aéreo no tripulado.