ITTO970445A1 - Attuatore deformabile a fluido a tre gradi di liberta' - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo:

“Attuatore deformabile a fluido a tre gradi di libertà”

Descrizione

La presente invenzione si riferisce ad un attuatore deformabile a fluido a tre gradi di libertà.

Lo scopo dell’invenzione è quello di fornire un apparecchio del tipo indicato, atto all’impiego con fluidi diversi sia liquidi sia gassosi per la movimentazione di oggetti qualunque nello spazio tridimensionale.

L’attuazione a fluido è largamente adottata nella robotica sia per operazioni di presa come anche per movimentare strutture di manipolatori.

Attualmente la quasi totalità di apparecchiature ad azionamento pneumatico o idraulico utilizza attuatori a un grado di libertà costituiti da due parti rigide vincolate fra loro in modo da realizzare l’accoppiamento cinematico richiesto, come ad esempio cilindri a corsa lineare, attuatori rotativi a corsa limitata o no.

L’utilizzo di tali attuatori consente un controllo agevole della posizione, reso possibile anche dalla facilità di applicazione di opportuni trasduttori.

Per contro, l’impiego di tali attuatori rigidi a un grado di libertà implica un peso e un ingombro notevole della struttura complessiva. Inoltre, la presenza di parti in moto relativo, il cui accoppiamento richiede resistenza di guarnizioni di tenuta di tipo strisciante, implica l’insorgere di fenomeni di attrito che pregiudicano la precisione del controllo dei movimenti.

I principali costruttori di componenti per idraulica e pneumatica realizzano anche attuatoli dove il movimento richiesto dall'applicazione è generato dalla deformazione di un elemento flessibile.

Un esempio di attuatore pneumatico la cui struttura portante è costituita interamente da un elemento deformabile è il cilindro a soffietto. L'aumento di volume generato dall'aria compressa genera il movimento di allontanamento delle piastre terminali. Sullo stesso principio si basano alcuni tipi di sollevatori idraulici.

Caratteristica comune di questi attuatoli è l'assenza di movimenti tangenziali relativi tra gli elementi costituenti la struttura, evitando così i problemi legati all'attrito. (Il movimento attuativo si ottiene infatti dalla sola deformazione dell'elemento flessibile, che risulta essere uno dei principali elementi costituenti il sistema).

Inoltre l’impiego di attuatori deformabili implica una maggiore semplicità della struttura complessiva dell’apparecchiatura, con conseguenti vantaggi in termini di peso, ingombro e costo.

Un tipo particolare di attuatore flessibile presenta un elemento deformabile costituito da un tubo il cui volume interno è diviso in tre settori da tre pareti disposte a 120°.

La variazione della pressione all’interno dei tre settori, che sono tra loro isolati, determina una variazione di lunghezza ed una inflessione della linea d’asse del tubo. In questo modo vincolando una estremità ad un telaio, è possibile ottenere il posizionamento dell’altra estremità in uno spazio tridimensionale.

Un tale attuatore può quindi essere teoricamente utilizzato come un manipolatore a tre gradi di libertà, esistendo una correlazione tra i valori delle pressioni all’interno delle camere e la posizione dell’estremità mobile. Tale correlazione non è peraltro rigorosamente biunivoca, essendo influenzata da molteplici fattori riguardanti le caratteristiche di deformazione dell’elemento flessibile, che risente, ad esempio della temperatura, della velocità di manovra, ecc.

Per questi motivi le applicazioni finora sviluppate con questo tipo di attuatore a tre settori hanno sempre fornito risultati limitati soprattutto riguardo al controllo della posizione.

Un altro aspetto importante riguarda l’ottimizzazione della deformazione dell’ attuatore. Volendo utilizzare l’attuatore come manipolatore a tre gradi di libertà, è evidente che è di particolare interesse la dimensione dello spazio di lavoro. Per questo motivo è importante che l’attuatore sia dotato di accorgimenti che da un lato consentano l’adozione di valori di pressione più elevati possibile, dall’altro indirizzino le deformazioni del materiale nella direzione più conveniente ai fini dell’applicazione. Questi obiettivi sono garantiti dai tappi di estremità e da elementi di rinforzo radiale. Nelle soluzioni attuali i tappi sono normalmente costituiti da inserti a forma di settore di cilindro che vengono applicati alle estremità delle camere dell’elemento flessibile e vengono serrati da un elemento circonferenziale. H rinforzo radiale della struttura dell’elemento flessibile viene normalmente ottenuto introducendo all’interno del materiale elastomerico, al momento della colata, opportune fibre di vari materiali orientate in direzione circonferenziaie. Questo rinforzo impedisce l’aumento della dimensione circonferenziale dell’attuatore, indirizzando la deformazione in direzione prevalentemente assiale, con un evidente vantaggio per l’ampiezza dello spazio di lavoro dell’attuatore.

L’attuatore oggetto della presente invenzione è dotato di caratteristiche tali da consentire il suo utilizzo come manipolatore per il posizionamento di oggetti in uno spazio tridimensionale. La sua costruzione è semplice e di costo limitato. L’attuatore è dotato di un sistema dì sensorìzzazione totalmente integrato da cui è possibile ricostruire la posizione dell’estremità mobile, consentendo così un controllo in catena chiusa. Le prestazioni dell’attuatore sono migliorate dall’adozione di elementi di rinforzo radiale che garantiscono l’invarianza della forma e delle dimensioni del perimetro esterno della sezione retta dell’attuatore durante il funzionamento. Il mantenimento della forma circolare durante l’azionamento in pressione è favorevole per l’ottimizzazione della deformazione dell’attuatore che è totalmente indirizzata in direzione assiale, consentendo così prestazioni superiori a quelle ottenute inserendo semplicemente nel materiale elastomerico fibre circonferenziali di rinforzo.

Le testate dell’attuatore sono disegnate in modo da garantire la completa tenuta sia tra le diverse camere dell’ attuato re, sia verso l’esterno. La tenuta è indipendente dal valore della pressione interna, poiché è la pressione stessa che genera la forza di contatto necessaria alla tenuta.

Un attuatore deformabile a fluido a tre gradi di libertà costruito secondo la presente invenzione è costituito sostanzialmente da un elemento flessibile di materiale elastomerico avente la forma di un tubo cilindrico diviso internamente in tre camere longitudinali da tre pareti poste a 120°; da elementi anulari posti esternamente al tubo cilindrico, aventi la funzione di contenere la deformazione radiale delle sezioni trasversali; da una coppia di testate, ciascuna delle quali costituita da tre inserti a forma di settore troncoconico, uno per ogni camera, da una campana, con superficie interna conica, da viti che effettuano il serraggio delle pareti del tubo elastomerico tra gli inserti e la campana e da condotti per l'alimentazione delle camere dell'attuatore; da sensori disposti in direzione longitudinale, lungo le generatrici dell'attuatore, atti a misurare l'allungamento delle generatrici stesse per consentire l'identificazione dell'assetto dell'attuatore nello spazio tridimensionale.

La variazione dei valori di pressione all'interno delle tre camere dell'attuatore produce un allungamento e una inflessione dello stesso. L'adozione degli anelli esterni di irrigidimento rende massima la deformazione longitudinale e l'inflessione, contenendo l'aumento di diametro dell'attuatore. In luogo di anelli rigidi circolari, è possibile adottare una struttura a forma di spirale cilindrica, di adeguata rigidezza.

Il particolare disegno delle testate consente la tenuta completa del fluido all'interno delle camere, evitando pericoli di fughe. L'efficacia della tenuta delle testate è garantita dalla forma conica degli inserti e della campana esterna: in fase di montaggio gli inserti vengono tirati contro la campana da opportune viti, effettuando un serraggio di tutte le pareti, interne ed esterne, del tubo di materiale elastomerico; durante l'esercizio, la pressione interna alle camere incrementa la forza di contatto fra le varie parti, aumentando ulteriormente la tenuta. Vantaggiosamente, la doppia funzione di serraggio degli inserti contro la campana e di alimentazione delle camere degli attuatoli può essere svolta da viti forate assialmente e provviste di adeguati raccordi. La disponibilità del sistema di sensori longitudinali consente l'identificazione dell'assetto dell'attuatore, è così possibile effettuare un controllo della posizione dell'estremità mobile dell'attuatore in catena chiusa. I sensori possono essere costituiti da tre piccoli tubi in gomma siliconica contenenti mercurio liquido e disposti lungo tre generatrici dell'attuatore. Al variare della pressione nelle camere, i sensori subiscono un allungamento che determina una variazione della resistenza elettrica del mercurio contenuto; la misura di tale resistenza permette la valutazione dell'allungamento corrispondente e quindi la ricostruzione della geometria dell'attuatore. Una variante a tale soluzione può essere costituita da tre conduttori elettrici applicati lungo tre generatrici in modo che non vincolino la deformazione longitudinale dell'attuatore; all'aumentare di tale deformazione si verificherà uno scorrimento dei conduttori rispetto ad una delle testate; tale scorrimento può essere rilevato da un contatto strisciante, che misura la resistenza complessiva del conduttore, proporzionale alla distanza tra le due testate lungo la corrispondente generatrice. Una ulteriore variante può essere ottenuta applicando lungo tre generatrici dell'attuatore tre strisce di opportuno materiale cedevole e conduttore di elettricità (ad esempio gomma conduttiva, la cui resistenza elettrica varia se viene deformata), che possono essere utilizzate nello stesso modo previsto per i sensori a mercurio.

Vantaggiosamente, con un corretto dimensionamento strutturale, agendo sia sulle caratteristiche del materiale che sulle dimensioni geometriche delle sezioni resistenti e dell’allungamento dell’attuatore, è possibile adattare le sue prestazione all’applicazióne prevista. Aumentando l’allungamento si otterrà uno spazio di lavoro più esteso, scegliendo un materiale dalle caratteristiche meccaniche più elevate ed aumentando le sezioni resistenti, si potrà ottenere un carico pagante maggiore.

Vantaggiosamente, con un principio di funzionamento come quello dell’attuatore deformabile descritto, con un opportuno dimensionamento strutturale sarà possibile utilizzare l’attuatore con fluido di lavoro incompressibile (olio, acqua) a pressioni anche molto elevate con pericolo ridotto in caso di scoppio, ottenendo così un più elevato carico pagante e maggiore precisione di posizionamento.

Vantaggiosamente, utilizzando due o più attuatori deformabili del tipo di quello descritto collegati in serie è possibile ottenere un manipolatore a sei o più gradi di libertà, avendo così, non solo la possibilità di sfruttare tutti i sei gradi di libertà dello spazio tridimensionale, ma anche la possibilità di elevare a piacere, senza particolare complicazione strutturale del manipolatore o del controllo, la destrezza del manipolatore.

Rispetto ad altri attuatori il trovato non presenta particolari complessità meccaniche o strutturali e, in particolare, non ha motori o trasmissioni, non necessita di alcuna manutenzione particolare e presenta costo molto ridotto. Inoltre è dotato di una sensorizzazione precisa ed a basso costo per il controllo in anello chiuso della posizione dell’estremità mobile, completamente integrata nella struttura del manipolatore e protetta.

Il trovato è in grado di operare con fluidi diversi (aria, acqua, olio...) senza richiedere alcuna variazione o modifica nel suo complesso o in una qualche sua parte.

Nel trovato, essendo presenti tenute unicamente di tipo statico, in condizioni di normale funzionamento è esclusa una qualsiasi perdita di fluido tra le camere e dalle camere verso l’esterno, escludendo così qualsiasi tipo di inquinamento dell’ambiente da parte del fluido di lavoro che può peraltro essere di tipo non inquinante e a basso costo (es.: aria o acqua).

Il trovato è in grado di agire in ambienti dove siano presenti forti campi elettromagnetici senza sostanziali variazioni delle prestazioni originali.

Il presente trovato è in grado di agire in ambienti asettici, è facilmente sterilizzabile e adatto ad applicazioni biomediche e può essere conformato in modo da non essere pericoloso in caso di urto accidentale.

Ulteriori vantaggi e caratteristiche della presente invenzione risultano evidenti dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata con riferimento al disegno annesso fornito a puro titolo di esempio non limitativo in cui: la figura 1 rappresenta un complessivo dell’attuatore; la figura 2 rappresenta l’elemento flessibile in elastomero; la figura 3 illustra i gradi di libertà dell’attuatore.

Nel disegno è indicato con (1)l’ elemento flessibile dell’attuatore realizzato in materiale elastomerico. Esso è diviso longitudinalmente in tre settori, indicati con A, B, C, dalle pareti di spessore s disposte a 120°. Con L è indicata la lunghezza complessiva dell’elemento (1); con D e d sono indicati rispettivamente il diametro esterno e il diametro interno. Con (2) sono indicate le campane delle testate di estremità. Con (3) sono indicati gli inserti a forma di settore tronco conico; tali inserti vengono introdotti nelle estremità di ogni camera dell’attuatore. Con (4) è indicato uno degli elementi di collegamento che svolgono la duplice funzione di garantire la tenuta del fluido all’interno delle camere e di consentire l’alimentazione del fluido stesso; avvitando l’elemento filettato (4) nel rispettivo inserto, quest’ultimo, grazie alla sua forma conica, determina l’insorgere di forze di contatto sulle pareti a lui adiacenti dell’elemento flessibile (1), garantendo così la tenuta; essendo l’elemento (4) forato assialmente, è possibile effettuare l’alimentazione del fluido all’ interno della rispettiva camera per mezzo del condotto (5). Ogni inserto (3) è quindi predisposto per l’accoppiamento con un corrispondente elemento di collegamento (4). Con (6) sono indicati gli anelli esterni per il contenimento della dilatazione radiale dell’elemento flessibile (1). Gli anelli (6) sono distribuiti lungo tutto lo sviluppo longitudinale dell’elemento flessibile (1). Con (7) sono indicati i mezzi sensori applicati lungo tre generatrici dell’attuatore al fine di rilevare l’allungamento delle generatrici stesse conseguente all’aumento della pressione del fluido interno.

Nella figura 3 sono descritti i gradi di libertà dell’attuatore: rispetto ad un sistema di riferimento costituito dagli assi cartesiani X, Y e Z, solidali ad una estremità, l’attuatore è in grado di far assumere all’altra estremità una posizione le cui coordinate dipendono dal valore delle pressioni esistenti aU’intemo delle tre camere; al variare delle pressioni interne si ha una variazione della lunghezza L della linea d’asse dell’elemento flessibile, inoltre si ha un incurvamento della stessa linea d’asse, secondo un raggio di curvatura indicato con r; la linea d’asse incurvata può essere posizionata in un piano passante per l’asse Z ed avente orientamento qualunque.

Claims (7)

1. Rivendicazioni. 1. Attuatore deformabile a fluido a tre gradi di libertà costituito da un tubo di materiale elastomerico diviso longitudinalmente in tre settori da pareti disposte a 120° dello steso materiale; da due testate composte ciascuna da tre inserti a forma di settore troncoconico, da una campana avente una superfìcie interna conica e da opportuni elementi di collegamento atti a garantire adeguate forze di contatto tra le superfici delle estremità del tubo di elastomero e le corrispondenti superfici degli inserti e della campana, al fine di realizzare la perfetta tenuta del fluido; da un dispositivo di irrigidimento applicato esternamente al tubo elastomerico atto a contenere la sua deformazione radiale a vantaggio di quella assiale e atto a mantenere la forma circolare delle sezioni trasversali del tubo elastomerico; da mezzi sensori applicati lungo tre generatrici del tubo elastomerico atti a misurare rallungamento delle generatrici stesse in conseguenza dell'aumento delle pressioni interne ai tre settori del tubo elastomerico.
2. 2. Attuatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che gli elementi di collegamento tra inserti e campana di estremità fungono anche da vie di alimentazione del fluido, essendo forati longitudinalmente.
3. 3. Attuatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il dispositivo di irrigidimento radiale è costituito da una serie di anelli di materiale metallico o altro di adeguata resistenza.
4. 4. Attuatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il dispositivo di irrigidimento radiale è costituito da una spirale metallica o di altro materiale avente adeguata resistenza.
5. 5. Attuatore secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che i mezzi sensori sono realizzati per mezzo di piccoli tubi di materiale elastomerico cedevole applicati lungo tre generatrici dell’attuatore e riempiti di mercurio o di altro liquido conduttore di elettricità, tali da rilevare la variazione della lunghezza delle generatrici per mezzo della variazione della propria resistenza elettrica.
6. 6. Attuatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i mezzi sensori sono realizzati per mezzo di conduttori elettrici applicati lungo tre generatrici dell’ attuatore, fissati ad una testata di estremità e striscianti contro un apposito contatto solidale all’altra testata di estremità, in modo da presentare una resistenza elettrica variabile in fiinzione dei movimenti relativi tra le due testate.
7. 7. Attuatore deformabile a fluido a tre gradi di libertà secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, sostanzialmente come descritto ed illustrato.