ES2884499B2 - Sistema de generación y transmisión de potencia mecánica para accionamiento de actuadores hidráulicos remotos - Google Patents
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Description
DESCRIPCION
Sistema de generación y transmisión de potencia mecánica para accionamiento de actuadores hidráulicos remotos
Sector de la técnica
La siguiente invención se refiere a un sistema de generación y transmisión de potencia mecánica para accionamiento de actuadores hidráulicos remotos, tales como los que se utilizan en robots submarinos, exoesqueletos y automatismos en general que requieran una fuente de potencia remota hidráulica a medida, autónoma e independiente que puede ser alojada en un recipiente estanco y alimentada incluso por baterías.
Antecedentes de la invención
Es conocido el empleo de sistemas de actuación que transfieren potencia desde un actuador hasta un mecanismo a articular para gobernar su funcionamiento.
Estos sistemas son muy utilizados en distintos tipos de mecanismos, pero sobre todo en aquellos mecanismos que comprenden articulaciones de tipo rotacional. Este tipo de articulaciones están presentes en mayor medida en mecanismos robotizados como brazos manipuladores o robots con patas.
Los mecanismos de este tipo tienen la desventaja que a nivel dinámico su comportamiento exige la incorporación de diferentes eslabones para la transmisión de movimiento, lo que proporciona un mayor peso al mecanismo articular que dificulta su dinámica de funcionamiento, por lo que es importante conseguir reducir su peso, para lo que los sistema de actuación se trasladan a lugares en los que no afecten la dinámica del mecanismo, lo que genera un nuevo problema, referente a cómo transferir la potencia desde dicho sistema de actuación hasta el mecanismo.
La transferencia de potencia en los mecanismos anteriormente mencionados se suele realizar usando elementos mecánicos de tipo pasivo como lo son engranajes, correas, poleas, cadenas, cremalleras o palancas, las cuales tienen la limitación de estar unidos al actuador, y de tener una configuración fija en cuanto anclajes y/o fijaciones.
En la medida en la cual se requiere tener el actuador ubicado en un punto diferente en donde se encuentra la aplicación de la potencia, se requiere hacer la transferencia de potencia a través de un medio que tenga propiedades de compresibilidad nulas, y
variabilidad en su posición o sistemas de anclaje para que tenga libertad de movimiento. En la patente US9375852B2 se describe un sistema de actuación hidráulico para articulaciones rotacionales, que plantea un funcionamiento donde el actuador está unido al mecanismo en donde se ha de aplicar la potencia, lo que conlleva a llevar el sistema de actuación con los métodos tradicionales, en los que el peso del mecanismo se ve aumentado por la incorporación del actuador.
Es conocido que la transferencia de potencia se realice mediante un sistema hidráulico con relación mecánica entre un eje de entrada y otro eje de salida, como por ejemplo se describe en la patente GB2246618A, en la que el eje de entrada y el eje de salida convergen en el mismo punto, y la transferencia la hace un sistema hidráulico que reduce el desgaste del mecanismo.
Un inconveniente que se debe tener en cuenta es la relación de ganancia entre el movimiento relativo entre un eje y el otro. Esto se contempla bien sea entre las magnitudes del desplazamiento angular de los ejes, o entre la magnitud de velocidades de giro de los ejes, como se describe en las reivindicaciones de la patente US5037353, donde se plantea un sistema de acople de dos ejes en el cual hay un sistema de reducción de velocidad y de aumento de par a través de una transferencia de potencia hidráulica.
Para proporcionar una mayor libertad de movimiento en una articulación, las reivindicaciones de la patente US5282460A describen un sistema que proporciona tres grados de libertad y actuación, que permiten asistir a un exoesqueleto emulando el comportamiento cinemático de ciertas articulaciones del cuerpo humano.
La transferencia de potencia hidráulica también ha sido propuesta para transferir potencia en una caja de velocidades de sistemas de generación de electricidad como el descrito en las reivindicaciones de la patente CN1842651A.
Como se ha mencionado en el cuerpo de este documento, uno de los problemas a resolver es la implicación de la transferencia del actuador al punto de actuación, donde es de principal importancia el tipo de funcionamiento del actuador. En las reivindicaciones de la patente US5297994A se describe un sistema de acoplamiento entre dos ejes que es controlado mediante un actuador magnético que, al detectar una diferencia de velocidades permite hacer la transferencia de potencia acorde a las necesidades del sistema. Este sistema es controlado para poder mantener velocidades de giro diferentes en los sistemas de transmisión de vehículos con ruedas.
Para una aplicación en robótica, los mecanismos requeridos suelen ser accionados por sistemas eléctricos, los cuales permiten ser controlados con características de precisión mayores a los de otro tipo de actuación, sin embargo para estos mismos casos los sistemas tienen valores de configuración de compensación de acuerdo a su configuración cinemática. Esto prevé que si la articulación tiene más de un grado de libertad la configuración inicial será más compleja, para lo que las reivindicaciones de la patente JPH10225881A describen un sistema que cuenta con la compensación mecánica requerida para que el control esté configurado de forma física siendo esto utilizable en las articulaciones de los robots.
Uno de los métodos más usados para la transmisión de potencia hidráulica es la transmisión de potencia hidrostática-mecánica que contempla transferir la potencia del movimiento a través de un sistema hidráulico isobaro el cual permite tener canales de transmisión no rígidos, así como está descrito en las reivindicaciones de la patente EP0557700B1 en donde un sistema de transferencia de potencia y de ganancia en velocidad es descrito para la transferencia de movimiento en embragues.
Explicación de la invención
Los accionamientos de potencia típicos empleados en las máquinas automatizadas que trabajan en entornos hostiles tales como ambientes submarinos o entornos con peligro de explosión deben reunir estrictas condiciones de estanqueidad. Normalmente los accionamientos eléctricos son los más utilizados y deben funcionar bajo estrictas condiciones de estanqueidad, enclaustrados en recipientes especialmente diseñados para resistir elevadas presiones y con juntas rotatorias o lineales para la transmisión de potencia al exterior. Las juntas estancas suelen requerir tecnologías avanzadas en sus materiales y en su diseño, lo que hace que sean costosas tanto por su precio como por el gasto de potencia debido al rozamiento que introducen en los sistemas. Es así como los accionamientos de potencia estancos son muy costosos por sus altas exigencias de fabricación y funcionamiento. Además de las juntas estancas para transmisión de potencia, se emplean otras tecnologías todavía más costosas, pero más fiables que no requieren mantenimiento como son las transmisiones de potencia por magnetismo basadas en potentes imanes por lo que la trasmisión de potencia se realiza mediante acoplamiento magnético.
La invención que se reivindica resuelve un importante problema de trasmisión de potencia estanca y a distancia que se puede sumergir en cualquier fluido sin que la
transmisión se vea afectada. Para ello el invento comprende un primer recipiente que contiene un motor que se acopla a un actuador hidráulico motorizado que al ser accionado por el mencionado motor, realiza el desplazamiento volumétrico del fluido hidráulico o bombeo, que se conduce mediante un circuito cerrado de tuberías hidráulicas que se conectan en corto circuito en la entrada y salida del actuador hidráulico motorizado, y en las conexiones de entrada y salida de un actuador hidráulico remoto, externo a dicho primer recipiente. Esta conexión se realiza a través del primer recipiente, mediante un conector hidráulico estanco de manera que la salida del fluido del actuador hidráulico motorizado se conecta a la entrada del actuador remoto, y la salida del fluido hidráulico del actuador hidráulico remoto se conecta a la entrada del actuador hidráulico motorizado, creándose así un circuito hidráulico, en que la conexión con la entrada y salida del actuador hidráulico también se realiza mediante un conector hidráulico estanco. El motor es accionado eléctricamente, de forma que la potencia del sistema hidráulico es la de la potencia del motor eléctrico que acciona el actuador hidráulico motorizado, siendo las perdidas por rozamiento muy reducidas porque este tipo de sistemas trabajan con velocidades reducidas empleando motores que usan importantes relaciones de reducción en sus reductores mecánicos.
Dentro del primer recipiente estanco es posible alojar un conjunto de actuadores hidráulicos motorizados que cumplan funciones de movimientos lineales o rotacionales, ya que el principio de funcionamiento es el mismo. Debido a que los actuadores hidráulicos lineales y rotatorios se encuentran en el primer recipiente estanco, esto permite tener plenamente sensorizada la salida de cada uno mediante un sensor en lazo cerrado, obteniendo valores de desplazamiento lineal o angular, y pudiendo implementar un sistema de control sobre dicha variable, que por el principio de transmisión de movimiento se va a ver reflejado en el actuador hidráulico remoto. Esto significa que si el actuador hidráulico motorizado se desplaza determinadas unidades regidas por la petición del usuario, el actuador hidráulico remoto se va a desplazar en la misma proporción o en una proporción similar si se ha implementado un sistema de amplificación de fuerza como un caja de engranajes o similares.
En el caso del actuador hidráulico motorizado lineal, la salida del motor eléctrico está acoplada a un husillo lineal que a su vez está conectado al actuador hidráulico motorizado lineal mediante un acople mecánico, de forma que las conexiones hidráulicas del actuador hidráulico motorizado lineal al conector hidráulico estanco se realizan mediante conectores mecánicos.
En el caso del actuador hidráulico motorizado rotatorio, la salida del motor eléctrico está
acoplada a un reductor de velocidad que a su vez está conectado al actuador hidráulico motorizado rotatorio mediante un acople mecánico, de manera que las conexiones hidráulicas del actuador hidráulico motorizado rotatorio al conector hidráulico estanco también se realizan mediante conectores mecánicos.
La energía requerida para el funcionamiento de los actuadores hidráulicos motorizados se puede obtener a través del uso de conectores eléctricos, que a su vez se encuentren conectados a una fuente de energía tipo baterías alojadas en un segundo recipiente estanco con características similares al primer recipiente donde se encuentran los actuadores hidráulicos motorizados, esto permite que la fuente de energía de los mismos se encuentre bajo las mismas condiciones y pueda estar físicamente cerca de la implementación del sistema. En el caso que los recipientes estancos se encuentren bajo determinado rango de presiones el contenido de los mismos puede estar dispuesto de un fluido hidráulico el cual mediante un regulador de presiones permitiría el equilibrio barométrico en condiciones extremas.
Breve descripción de los dibujos
Para facilitar una correcta compresión de las características de la invención, se hace una breve descripción de las figuras asociadas.
Figura 1.- Muestra una vista general de un ejemplo de realización del sistema de la invención, que comprende un actuador motorizado hidráulico lineal formado por los conjuntos (1), (2), (3), (4) y (7); y un actuador motorizado hidráulico rotatorio formado por los conjuntos (1), (13), (3), (14) y (7), alojados en un primer recipiente estanco (18). Puede incorporar una pluralidad de actuadores motorizados hidráulicos lineales y rotatorios.
Figura 2.- Muestra un segundo recipiente estanco (23) de una fuente de alimentación con baterías (22) empleada para alimentar los actuadores motorizados contenidos en el primer recipiente estanco (18), mediante el uso de unos conectores (21). El segundo recipiente estanco (23) cuenta a su vez con un regulador de presión (20) que de acuerdo a las presiones con las cuales se vaya a trabajar requiere que el contenido del segundo recipiente (23) sea un fluido hidráulico (19).
Un modo de realización.
La invención es aplicable en la transmisión de potencia mecánica remota, por ejemplo, para robots submarinos o exoesqueletos. En el caso de un robot submarino de varios grados de libertad de movimiento, el sistema comprende unos actuadores motorizados, cuyo número es igual a la cantidad de actuadores hidráulicos remotos necesarios para gobernar los diferentes movimientos que debe realizar el robot. Los actuadores hidráulicos motorizados se alojan en un primer recipiente estanco (18), mediante juntas de estanqueidad (12), como se ve en la Figura 1.
En el ejemplo que se expone, se han de gobernar dos movimientos diferentes en el robot; uno de desplazamiento lineal y otro de desplazamiento rotatorio, para lo que se emplea un actuador hidráulico remoto lineal (8) y un actuador hidráulico remoto rotatorio (15). Por ello, el sistema comprende un actuador hidráulico motorizado lineal (4), y un actuador hidráulico motorizado rotatorio (14), en ambos casos, son accionados por un motor (1), que produce el desplazamiento volumétrico de uno de dichos actuadores lineal (4) o rotatorio (14), El motor se controla en lazo cerrado mediante un sensor (17).
En el caso del actuador hidráulico motorizado lineal (4), el motor está conectado a un husillo de desplazamiento lineal (2) que mediante un acoplamiento mecánico (3) se conecta con dicho actuador lineal (4), y en el caso del actuador hidráulico motorizado rotatorio (14), el motor se conecta a un reductor de velocidad (13), que mediante un acoplamiento mecánico (3) se conecta con dicho actuador rotatorio (14).
El primer recipiente estanco (18) comprende una brida (7) en la que se disponen conectores hidráulicos estancos (6) a los que se conectan los actuadores hidráulicos motorizado lineal (4), y rotatorio (14) y unas tuberías hidráulicas exteriores (5) que conectan en circuito cerrado el suministro y retorno de la potencia hidráulica a los actuadores hidráulicos remotos lineal (8) y rotatorio (15) que funcionan en el entorno acuático (11).
Las conexiones hidráulicas a los actuadores hidráulicos motorizado lineal (4), rotatorio (14), y actuadores hidráulicos remotos lineal (8) y rotatorio (15), se realizan en cada una de sus entradas salidas mediante unos conectores mecánicos estancos (9).
Los actuadores hidráulicos motorizados lineal (4) y rotatorio (14), pueden ser autónomos alimentados mediante unos cables (21) por un conjunto de baterías recargables (22) que están alojadas en un segundo recipiente estanco (23).
Tanto el primer (18) como el segundo recipiente estanco (23), para altas profundidades, están rellenos de un fluido hidráulico (19) y disponen de un compensador de presiones (20) que está alojado en la tapa del primer (18) y segundo recipiente (23). De esta manera, es posible para un robot submarino conducir de manera remota la potencia hidráulica desde un sitio único, en el que se encuentra el recipiente estanco (18) y en el que están alojados los actuadores hidráulicos motorizado lineal (4), y rotatorio (14).
Los actuadores remotos lineales (8) y rotatorio (15) se acoplan a una carga externa para desplazarla (10) o imprimirle la rotación (16).
Claims (8)
1. Sistema de generación y transmisión de potencia mecánica para accionamiento de actuadores hidráulicos remotos, caracterizado por que comprende al menos un actuador hidráulico motorizado, alojado en un primer recipiente (18), que se conecta a un actuador hidráulico remoto mediante un conector hidráulico estanco (6).
2. Sistema, según reivindicación 1, caracterizado por que el al menos actuador hidráulico motorizado está seleccionado entre un actuador hidráulico motorizado lineal (4), para accionar un actuador hidráulico remoto lineal (8); y un actuador hidráulico motorizado rotatorio (14), para accionar un actuador hidráulico remoto rotatorio (15).
3. Sistema, según reivindicación 2, caracterizado por que comprende una pluralidad de actuadores hidráulicos motorizados lineales (4) y una pluralidad de actuadores hidráulicos motorizados rotatorios (14)
4. Sistema, según reivindicaciones 2 o 3, caracterizado por que el actuador hidráulico motorizado lineal comprende un motor eléctrico (1) que se controla en lazo cerrado con un sensor (17), estando la salida del motor eléctrico acoplada a un husillo lineal (2) que a su vez esta conectado al actuador hidráulico motorizado lineal (4) mediante un acople mecánico (3), donde las conexiones hidráulicas del actuador hidráulico motorizado lineal (4) al conector hidráulico estanco (6) se realizan mediante conectores mecánicos estancos (9).
5. Sistema, según reivindicaciones 2 o 3, caracterizado por que el actuador hidráulico motorizado rotatorio comprende un motor eléctrico (1) que se controla en lazo cerrado con un sensor (17), estando la salida del motor eléctrico acoplada a un reductor de velocidad (13) que a su vez está conectado al actuador hidráulico motorizado rotatorio (14) mediante un acople mecánico (3), donde las conexiones hidráulicas del actuador hidráulico motorizado rotatorio (14) al conector hidráulico estanco (6) se realizan mediante conectores mecánicos estancos (9).
6. Sistema, según reivindicación 1, caracterizado por que el primer recipiente (18) es estanco mediante juntas estancas (12), donde el conector hidráulico estanco (6) se conecta con el actuador hidráulico remoto mediante tuberías hidráulicas
exteriores (5) formando un circuito hidráulico cerrado para cada actuador hidráulico remoto.
7. 
Sistema, según reivindicación 2 caracterizado por que el actuador hidráulico remoto lineal (8) se acopla a una carga externa para desplazarla (10) y el actuador hidráulico remoto rotatorio (15) se acopla a una carga para imprimirle una rotación (16).
8. 
Sistema, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los actuadores hidráulicos motorizados se alimentan mediante unos cables (21) por un conjunto de baterías recargables (22) que están alojadas en un segundo recipiente estanco (23).
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