RO131612B1 - Robot asistent modular - Google Patents

Description

RO 131612 Β1

Invenția se referă la un robot asistent, în construcție modulară, pentru explorări și intervenții în spații limitate, utilizat în aplicațiile medicale pentru manipularea instrumentelor chirurgicale, ca suport pentru un sistem optic (cameră video) pentru a vizualiza obiecte în spatele unui perete sau pentru prindere și fixare abilă prin înfășurare.

Robotul modular asiguă două funcționalități majore, capacitate de a realiza o curbă spațială și posibilitatea păstrării configurației anterioare. Are o structură simplă și compactă, economic de realizat și întreținut și capabil să fie modificat cu un efort minim. Prin modul înțeleg în prezenta invenție un ansamblu (articulație, translație, pivotare, axă, ghidaj, element de acționare etc.) realizat ca parte componentă a unei familii destinată să îndeplinească o funcție comună și concept în așa fel încât să poată funcționa interconectat cu module de altă funcționalitate în cadrul unei stucturi de robot. Abordarea construcției modulare a robotului va conduce la o creștere a flexibilității și la o adaptabitate mai ușoară la mediul de lucru.

în prezent, un număr mare de cercetători au încercat să ofere diferite soluții tehnice pentru dispozitive în scopuri similare. Pentru chirurgia minim invaziva, câteva exemple sunt prezentate în continuare (WO 2007/088208 A1, JP 2007/289675). în brevetul WO 2007088208 A1 este prezentat un sistem chirurgical robotic pentru efectuarea procedurilor medicale minim invazive ce cuprinde un braț manipulator pentru un instrument laparoscopic. Brațul manipulator oferă trei grade de libertate pentru poziționarea încheieturii mâinii, încheietura mâinii oferă două grade de libertate. Unitatea efector cuprinde un instrument laparoscopic și oferă un grad de libertate prin intermediul unei articulații revolute pentru stabilirea unghiului de rulare al instrumentului laparoscopic LIA. LIA are un locaș pentru montarea unui adaptor stern la unitate, și un mecanism de acționare ce cooperează cu adaptorul pentru acționarea unui instrument laparoscopic. Dezavantajul acestei invenții este dat de faptul ca spațiul de lucru al instrumentului este mic. De asemenea, este cunoscut un alt sistem JP 2007/289675 ce include un dispozitiv de acționare și un ansamblu robotic. Acest ansamblu include două brațe robotice care operează într-o direcție orizontală. Al doilea braț include: un mecanism cardan prevăzut pe partea distală a capătului un cursor care este susținut de un mecanism cardanic și un manipulator M care este deplasabil în direcția axei.

Mecanismul cardanic variază atitudinea manipulatorului M prin cursor, în funcție de operația brațelor. Dezavantajul acestui sistem se referă la restricțiile avute în spațiile minim invazive.

Dar, cele mai cunoscute cercetări din domeniul roboticii modulare sunt structurile de roboți de tip șarpe formate din segmente articulate având articulații cilindrice sau sferice și fiind prevăzute cu cabluri de acționare, cum ar fi cele prezentate în brevetele WO 2007/088208 A1, JP 2007/289675, US 2008/0287741 A1, US 2011/0295065 A1 sau WO 2009/146171 A1. în brevetul US 2008/0287741 A1 este prezentat un mecanism articulat pentru utilizare în dispozitive medicale, cum ar fi un endoscop al unui cateter, include o serie de legături stivuite dispuse una lângă cealaltă și deplasabile. Fiecare legătură include o față frontală conică la o pereche de puncte de pivotare și o față posterioară care deține un locaș în formă de pană pentru primirea punctelor de pivotare ale legăturii adiacente. Firele de tragere furnizează tensiune și țin legăturile pivotante împreună, permițând, de asemenea, îndoirea controlată a porțiunii distale prin mișcarea mai multor fire de tragere. Un exemplu de realizare a unui instrument segmentat cu capacități de frânare având o multitudine de legături și o balama care conectează o pereche de legături adiacente în multitudinea de legături este prezentat în brevetul US 2011/0295065 A1. Cel puțin o articulație blocabilă și articulabilă este adaptată și configurată pentru a crește numărul de suprafețe de frecare disponibile între perechea de legături adiacente. Manipularea produce o mișcare de alunecare între o multitudine de componente cu formă complementară într-o porțiune a ansamblului de

RO 131612 Β1 frână între legăturile adiacente. Un alt dispozitiv studiat WO 2009/146171 A1 include două 1 mecanisme, cu mai multe legaturi adiacnte. Fiecare mecanism poate include un prim element, o multitudine de elemente intermediare și un al doilea element mobil cuplat cu unul 3 dintre elementele intermediare. Dispozitivul articulat poate avea o cameră video și un scut protector conectate la un capăt distal. Scutul de protecție poate înconjura cel puțin o porțiune 5 a camerei. Dezavantajul acestui sistem se referă la posibilitatea răsucirii elementelor de legătură între ele. 7

Problema complexității obținerii gradelor de libertate este încă nerezolvată, dând naștere la mecanisme cu grade le libertate limitate. Roboții de tip șarpe sunt de obicei 9 acționați atât de sisteme de acționare mecanice, hidraulice sau pneumatice, cât și de tendoane confecționate din aliaje cu memorie de formă. Aceste manipulatoare nu pot face 11 îndoiri cu raze mici, deși pot aplica forțe mari. Mai mult, au un feedback lent și sunt în mod inerent dificil de controlat, respectiv nu pot fi miniaturizate cu ușurință. 13

Alte construcții de roboți în formă de șarpe necesită multe articulații mecanice, deci vor fi probleme de execuție, în special în ceea ce privește precizia și jocul componentelor. 15 Problema tehnică pe care o rezolvă invenția este realizarea unui robot asistent compact, în construcție modulară, care are capacitatea de a realiza o curbă spațială și 17 posibilitatea păstrării configurației anterioare, prin îndoirea controlată a porțiunii distale a brațului robotic, luând în considerare adaptabilitatea și siguranța în funcționare. 19

Robotul asistent modular, conform invenției, înlătură dezavantajele enumerate mai sus prin realizarea unei structuri flexibile de robot care cuprinde: 21

- un braț robotic ploliarticulat care include o mulțime de legături (verigi) adiacente, mobile una față de cealaltă, aranjate în serie și acționate prin cabluri (fire), fiecare verigă 23 incluzând o față frontală de formă concavă (semisferică), o față posterioară de formă convexă care definește un locaș semisferic, o suprafață cilindrică exterioară pe care sunt 25 prevăzute niște canale longitudinale diametral opuse, la unul din capete, respectiv, niște bolțuri la celălalt capăt pentru a preveni răsucirea verigilor în jurul axelor longitudinale și cel 27 puțin patru cabluri (fire) de acționare, în scopul de a realiza secțiuni de îndoire multiple în spațiul 3D; și 29

- un sistem de acționare și comandă care include:

- o structură de bază care susține niște sănii longitudinale și asigură totodată 31 și calea de rulare pentru deplasarea acestora pe o axă orizontală; și

- niște structuri de înaintare-retragere (sănii longitudinale) cu control optoelec- 33 tronic cu laser pentru a defini natura și amplitudinea mișcărilor, pentru a realiza mișcările relative ale componentelor și pentru a controla evoluția curselor de deplasare ale unui efector 35 final (instrument, cameră) specifice fiecărei aplicații, în scopul de a păstra curbura brațului robotic și de a asigura rotirea unghiular tridirectională a fiecărei articulații pentru a asigura 37 dexteritate și agilitate sporite brațului robotic.

Robotul asistent modular, conform invenției, prezintă următoarele avantaje:39

- soluție simplă, comodă de exploatare care asigura obținerea parametrilor cinematici și dinamici necesari pentru realizarea unei curbe 3D în spațiu;41

- permite menținerea curbei spațiale datorită alegerii brațului cu articulații sferice;

- permite obținerea diferitelor lungimi ale brațului robotic poliarticulat datorită verigilor43 intermediare interschimbabile;

- brațul robotic poate fi îndoit în așa fel încât să realizeze acțiuni în spatele 45 obstacolelor sau în spații greu accesibile;

- asigură succesiunea secvențelor de mișcare datorită sistemului de acționare și 47 comandă, pe baza unui program stabilit inițial de un operator uman;

RO 131612 Β1

- designul mecanic al robotului, compact și simplu, în construcție modulară, face posibilă opererea cu agilitate în spații de mici dimensiuni și complexe din punct de vedere geometric;

- poate fi proiectat să urmeze o cale serpentină, cu raze strânse și să facă curbe de circa 180° de grade în orice direcție într-un spațiu 3D;

- adaptabilitate/manevrabilitate, realizată printr-o structură flexibilă, fixare rapidă și stabilă, reconfigurarea componentelor fiind asigurată de o construcție modulară, utilizarea unor senzori și actuatori digitali;

- siguranță în funcționare, asigurată prin miniaturizare dimensiuni reduse (de exemplu un diametru al brațului robotic de 14,5 mm și lungimea de 240 mm), greutăți mici (confecționat din materiale plastice), componente inteligente;

- natura compactă a designului și simplitatea controlului îl face un candidat ideal pentru comandă de la distanță;

- raportul de aspect, scara 1:60 asigurată printr-un design corespunzător.

în continuare, se prezintă un exemplu de realizare al invenției, în legătură cu fig. 1 ...10, care reprezintă:

- fig. 1, ilustrează o vedere de perspectivă a unei structuri de braț robotic poliarticulat, în conformitate cu un exemplu de realizare a invenției;

- fig. 2, ilustrează o vedere de perspecivă expandată a unei porțiuni de braț robotic poliarticulat;

- fig. 3, ilustrează o secțiune a unei porțiuni de braț robotic poliarticulat în care sunt indicate veriga intermediară și veriga distală ale unui mecanism interior 2;

- fig. 4a, 4b, prezintă o vedere parțială a unei verigi intermediare a unui mecanism exterior 1 al unui braț robotic poliariculat, cu detaliu două bolțuri și două canale diametral opuse pe suprafața cilindrică extrioară;

- fig. 5, prezintă un ansamblu de două verigi intermediare cuplate mobil ale unui mecanism exterior 1 al unui braț robotic poliariculat;

- fig. 6, prezintă o schemă cinematică corespunzătoare unui braț robotic poliarticulat și indică o secvență de mișcare ca exemplu;

- fig. 7, prezintă o schemă cinematică simplicată pentru o structură de robot asistent, în construcție modulară, cu mișcări generate în spațiul 3D;

- fig. 8, ilustrează o vedere de perspectivă a unui sistem de acționare și comandă pentru o structură de braț robotic poliarticulat, în conformitate cu un exemplu de realizare a invenției;

- fig. 9, ilustreză o secțiune transversală în planul Oxy a suprafețelor ce rezultă printr-o succesiune de translații și rotații ale originii;

- fig. 10, reprezintă o curbă care prin rotație în jurul axei Oy mărginește la exterior volumul de lucru al brațului robotic.

Robotul asistent, în construcție modulară, conform invenției, este alcătuit din următoarele componente: un braț robotic poliarticulat A și un sistem de acționare și comandă B. Brațul robotic poliarticulat include o mulțime de legături (verigi) adiacente, cuplate mobil una cu alta, aranjate în serie și acționate prin cabluri (fire) pentru a realiza secțiuni de îndoire multiple în spațiul 3D. Firele de tragere furnizează tensiune și țin legăturile pivotante împreună, permițând, de asemenea, îndoirea controlată a porțiunii distale a brațului robotic. Brațul robotic are în plus niște elemente de acționare poziționate corespunzător, de exemplu, niște motoare pas cu pas, actuatori digitali sau altele asemenea, pentru a asigura, de exemplu, deplasarea sau feedbackul de deplasare. Mai mult, senzori, de exemplu traductori, limitatori de cursa sau altele asemenea, pot fi poziționați corespunzător pe baza robotului,

RO 131612 Β1 respectiv pe săniile longitudinale de deplasare liniară. Motorele pas cu pas, actuatori digitali 1 și senzorii vor fi conectați operațional în sistemul de control al robotului modular astfel încât să permită ca pozițiile și orientările unui efector final să fie variate în raport cu o bază a 3 robotului modular.

Constructiv, brațul robotic paliarticulat A poate să includă două tuburi concentrice cu 5 o structură flexibilă, așa cum este ilustrat înfig. 1. în continuare, mă voi referi la aceste tuburi ca fiind două mecanisme spațiale, un prim mecanism exterior 1 (manșon) și un al doilea 7 mecanism interior 2 (miez). Fiecare mecanism poate cuprinde o mulțime de segmente articulate (verigi), simplu sau dublu curbate, aranjate în serie și fiind acționate cu niște cabluri 9 (fire), constituind o structură mobilă asemănătoare corpului unui șarpe. Atât mecanismul exterior 1, cât și mecanismul interior 2 pot funcționa fie într-un mod rigid, fie într-un mod 11 flexibil (elastic), independent unul față de altul. Verigile exterioare sunt folosite la mișcarea de îndoire pasivă, în timp ce verigile interioare sunt utilizate la păstrarea formei brațului 13 robotic. Atât mecanismul exterior 1, cât și mecanismul interior 2 pot fi orientabile și pot funcționa fie într-un mod rigid, fie într-un mod flexibil (elastic), independent unul față de altul. 15

Mecanismul exterior 1 cuprinde o verigă exterioară proximală 3, o mulțime de verigi exterioare intermediare 4 (numărul se stabilește în funcție de aplicație, de exemplu 20 de 17 verigi pentru un braț robotic cu un diametru de 14,5 mm și o lungime de 240 mm), o verigă exterioară distală 5 și minim trei cabluri (fire) de acționare 9, 10 și 11 dispuse radial la 120° 19 de grade între ele, așa cum este ilustrat în fig. 1 și fig. 2. Mecanismul interior 2 cuprinde o verigă interioară proximală 6, o mulțime de verigi interioare intermediare 7 (numărul se 21 stabilește în funcție de aplicație, de exemplu 34 de verigi pentru pentru un braț robotic cu un diametru de 14,5 mm și o lungime de 240 mm), o verigă interioară distală 8 și un cablu (fir) 23 de acționare central 12, așa cum este ilustrat în fig. 2 și fig. 3. Fiecare verigă include un prim capăt frontal de formă concavă (semisferică), un al doilea capăt posterior de formă convexă 25 care definește un locaș semisferic și poate fi fabricată din orice material adecvat, de exemplu un fotopolimer (poliamidă de înaltă densitate, fibră consolidată) prin procedee de prototipare 27 rapidă, iar dimensiunile pot varia în funcție de aplicație. Pentru a preveni răsucirea verigilor exterioare 3,4, 5 ale mecanismului exetrior 1 în jurul axei longitudinale în timpul funcționării, 29 pe suprafețele exterioare ale acestor verigi adiacente ale mecanismului exterior 2 sunt practicate două canale longitudinale a, diametral opuse, la unul din capete, respectiv două 31 bolturi b, diametral opuse, la celalat capăt, așa cum este ilustrat în fig. 4a și fig. 4b.

Fig. 5 ilustrează un ansamblu de două verigi exterioare intermediare 4 cuplate mobil. 33 Conform structurii descrisă mai sus, a doua verigă exterioară intermediară 4 poate fi cuplată cu prima verigă exterioară intermediată 4 prin așezarea primului capăt cu configurație 35 concavă al primei verigi exterioare intermediare 4 în locașul cu configurație convexă al celei de-a doua verigi exterioate intermediară 4. Astfel, configurația verigilor intermediare 37 exterioare 4 permite ca o verigă intermediară exterioară să fie rotită în raport cu veriga intermediară adiacentă, astfel încât axele longitudinale respective să fie aliniate una față de 39 cealaltă de la 0 grade până la aproximativ 15° grade.

Verigile sunt menținute în contact prin intermediul a două seturi de cabluri (fire), și 41 anume niște cabluri 9,10,11, dispuse la 120° între ele, conectate la actuatorii liniari digitali 16, 17,18 pentru mecanismul exterior 1 și un cablu central 12 conectat la actuatorul digital 43 pentru mecanismul interior 2. Astfel, unul din capătul cablurilor 9, 10, 11 este fixat figid de veriga exterioară distală 5 a mecanismului exterior 1, iar cel de al doilea capăt este fixat 45 de șurubul conducător al unor actuatori liniari digitali cu encoder 16, 17, 18 (fig 7 și fig 8).

RO 131612 Β1

De asemenea, unul din capetele cablului 12 este fixat figid de veriga interioară distală 8 a unui mecanism interior 2, iar cel de al doilea capăt este fixat de șurubul conducător al unui actuator liniar digital cu encoder 21 (fig. 7 și fig 8). Astfel, delimitate la cele două capete, cablurile 9, 10, 11, respectiv 12, pot aluneca liber prin niște canale longitudinale (găuri de trecere) realizate în corpul verigilor, 3 găuri longitudinale dispuse la 120° de grade pentru veriga exterioară proximală 3 și verigile intermediare 4 ale mecanismului exterior 1, și o gaură centrală pentru veriga proximală 6 și verigile intermediare 7 ale mecanismului interior 2. Pentru mecanismul extrior 1, atunci când șurubul conducător al unui actuator liniar se deplasează, un fir din set se retrage, în timp ce celelalte două se extind. Astfel se crează o forță de compresiune ce provoacă mișcarea de îndoire într-o anumită direcție, tară să provoace flexarea excesivă a vrunuia din fire. Schimbând lungimea a două din cele trei fire, veriga exterioară distală poate fi manevrată cu un grad de libertate pentru a fi orientată în direcția dorită.

Poziția generală a brațului poliarticulat în raport cu o bază a robotului poate fi schimbată prin mișcarea de avans a unui mecanism exterior 1 și mișcarea de avans a unui mecanism interior 2, respectiv prin rotirea fiecărei verigi intermediare și distale de la 0 grade la aproximativ 15° grade, așa cum este arătatîn fig. 6. Veriga exterioară proximală 3 a mecanismului extrior 1 este fixată rigid, prin intermediul unei bucșă de fixare 24, de sania longitudinală 14 iar veriga interioară proximală 6 a mecanismului interior 2 este fixată rigid prin intermediul unei bucșă de fixare 25, de sania longitudinală 19 a unui sistem de acționare și comandă (fig. 8).

Fig. 6 prezintă o schemă cinematică corespunzătoare cu o vedere de perspectivă a unui braț robotic poliarticulat și arată o secvență de mișcare, așa cum indică săgețile din figură. Conform unui exemplu de realizare, succesiunea secvențelor de mișcare se realizează pas cu pas:

Pasul 1. Ambele mecanisme 1, 2 cuplate pe modul rigid (cabluri tensionate);

Pasul 2. Mecanismul exterior 1 cuplat pe modul flexibil (cablurile 9, 10, 11 detensionate);

Pasul 3. Avansare I, mecanism exterior 1, respectiv vertebra distală 5;

Pasul 4. Orientare II, vertebra distală 5;

Pasul 5. Mecanismul exterior 1 cuplat pe modul rigid (cablurile 9,10,11 tensionate);

Pasul 6. Avansare III, mecanism interior 2;

Pasul 7. Păstrarea configurației anterioare.

Atunci când unul din firele 9, 10,11 din set se retrage, celălalte două fire din set se extind. Astfel, se creează o forță de compresiune ce provoacă mișcarea de îndoire într-o anumită direcție, fără să provoace flexarea excesivă a vreunuia din firele 9, 10, 11. Schimbând lungimea a două din cele trei fire 9, 10, 11, vertebra exterioară distală 5 poate fi manevrată cu un grad de libertate pentru a fi orientată II în direcția dorită. Prin acționarea a două cabluri din cele trei 9, 10, 11 ale mecanismului exterior 2 este posibilă orientarea II a verigii exterioare distale 5 cu un unghi de la 0 grade până la aproximativ 15° de grade în orice direcție. Prin combinarea configurațiilor unice a verigilor exterioare 3, 4, 5 a mecanismului exterior 1 și a verigilor interioare 6, 7, 8 a mecanismului interior 2 se oferă brațului robotic poliarticulat abilitatea să parcurgă orice traseu definit în spațiul 3D. Forma pe care o poate lua în baza traiectoriei parcurse este menținută prin cuplarea mecanismului interior 2 pe modul rigid. Acest lucru se poate realiza prin acționarea cablului (firului) central 12 al mecanismului interior 2.

RO 131612 Β1

Atât mecanismul exterior 1, cât și mecanismul interior 2 pot fi deplasate în ambele 1 sensuri și pot funcționa fie într-un mod rigid, fieîntr-un mod flexibil (elastic), independent unul față de altul. Astfel, mecanismul exterior 1 poate fi cuplat operativ la o primă structură de 3 înaintare-retragere (o sanie liniară 14, un mecanism șurub-piulită 15, un motor pas cu pas 22), iar mecanismul interior 2, poate fi cuplat la o a doua structură de înaintare-retragere (o 5 sanie liniară 19, un mecanism șurub-piuliță 20, un motor pas cu pas 23). în consecință, ansamblul sistem de acționare și comandă B prezentat în fig. 7 și fig. 8 se va compune din 7 următoarele secțiuni: o structură de bază 13, o structură de înaintare-retragere SIR1 (o sanie liniară 14, un mecanism șurub-piuliță 15, un motor pas cu pas 22), niște actuatori liniari 9 digitali cu encoder 16,17,18 care vor asigura mișcarea de avans a unui mecanism exterior 1, respectiv tensionarea cablurilor 9, 10 și 11, o structură de înaintare-retragere SIR 2 (o 11 sanie liniară 19, un mecanism șurub-piuliță 20, un motor pas cu pas 23), un actuator liniar digital cu encoder 21, care vor asigura mișcarea de avans al unui mecanism interior 2, 13 respectiv tensionarea cablului 12. Pentru a preveni orice posibilă alunecare, cablurile (firele) de acționare 9,10,11 și 12, delimitate la cele două capete, pot fi ghidate prin tuburi flexibile 15 cu inserție, de exemplu din teflon (reduc frecarea) montate în niște găuri de trecere realizate în corpul verigilor proximale și intermediare ale mecanismului exterior 1, respectiv a meca- 17 nismului interior 2, precum și cu arcuri la nivelul componentelor dispozitivului de acționare.

Sistemul de acționare și comandă B va oferi atât infrastuctura, cât și suportul 19 operațional pentru un braț robotic poliarticulat de tip șarpe, în miniatură, de exemplu pentru un braț robotic cu diametrul de 14,5 mm și lungimea de 240 mm. Brațul robotic este ghidat 21 in timpul deplasării de o bucșă de trecere 26 fixată pe o placă de capăt a infrastucturii de bază 13 (fig. 8). Infrastuctură de bază 13, poate fi un subansamblu de tip cadru care poare 23 include o placă de bază prevăzută cu o serie de orificii pe direcție transversală pentru a permite fixarea în diverse poziții a unor placi de capăt, a unor bare de rigidizare sau a unor 25 ghidaje longitudinale. Săniile liniare 14,19 sunt antrenate de două mecanisme șurub piuliță 15, 20 (de exemplu, cu diametrul de 12 mm și pasul de 3 mm) care permit o deplasare liniară 27 de ± 172 mm în ambele sensuri. Fiecare mecanism poate fi acționat conținu, de un motor pas cu pas (de exemplu, de cuplu 1,25 Nm și turație 120 RPM), care va permite o viteză de 29 avansare-reteagere a brațului robotic de 50 mm/s. Fiecare dimensiune a componentelor sistemului de acționare și comandă trebuie sa fie modulară și minimală, menținând în același 31 timp suficient spațiu pentru a monta alte subsisteme. Mai mult configurația modulară a robotului, permite ca diversele componente să fie reconfigurate sau repoziționate în orice 33 moment.

Pentru robotul asistent modular, conform invenției, se pot prevedea traductori și 35 senzori corespunzători, de exemplu, traductori optoelectronici, limitatori de cursă sau altele asemenea, pentru a permite unui sistem de control să determine pozițiile articulațiilor brațului 37 robotic poliarticulat. Astfel, pentru controlul mișcării săniilor longitudinala de deplasare liniară 14, 19, ca exemplu de realizare, se pot monta niște elemente catadioprtu reflectorizant pe 39 săniile 14, 19 și niște traductore optoelectronice cu laser pe infrastructura de bază a robotului. Lumina emisă de un traductor optoelectronic este reflectată de elementul 41 catadiopru și astfel se controlează în timp real evoluția cursei de deplasare a fiecărei sănii longitudinale. Capetele de cursă ale deplasării săniilor longitudinale pot fi confirmate de niște 43 traductori de proximitate montați prin intermediul unor rigle de fixare pe placa de bază a structurii de baza 13, respectiv cu niște came cu rolă fixate pe săniile longitudinale, ca 45 exemplu de realizare. Traductoarele și senzorii se vor alege în funcție de natura aplicației și de performanțele urmărite. 47

RO 131612 Β1

Scopul utilizării invenției este acela de a susține și a manipula obiecte (instrument, cameră video), precum și de a realiza o poziționare precisă a efectorului final al unui braț robotic poliarticulat în spații cu resticții reduse și configurație complexă. Intervalul de mișcare al brațului robotic este un volum, și anume, un corp cu vârful în punctul de pivotare (punctul de inserție). Astfel, fiecare punct din domeniul ce poate fi atins de brațul articulat se poate scrie ca o transformare printr-o succesiune de translații și rotații ale originii. Pentru a exemplifica este reprezentată o secțiune transversală în planul Oxy a suprafețelor ce rezultă prin aceste rotații, așa cum se arată în fig. 9. Pentru robotul asistent modular, care face obiectul acestei invenții, s-au utilizat structuri poliarticulate capabile să poziționeze, cu precizie ridicată, efectorul final al unui braț robotic într-un spațiu de operare limitat, sub controlul direct al operatorului. Astfel, sunt controlate trei grade de orientare spațială a efectotului final al brațului robotic cât și, adâncimea de inserție (avansare/retragere). Fiecare din curbele punctate reprezintă pozițiile care pot fi atinse pentru un anumit număr de verigi k, de exemplu k = 2, 3...22. Suprafața ce conține pozițiile care pot fi atinse cu k verigi se obține rotind curba corespunzătoare în jurul axei verticale, respectiv axa Oy, considerând ca axa Oz este cea care înțeapă planul desenului. Volumul total ce poate fi atins de brațul robotic este mărginit la interior de corpul obținut prin rotația unui cerc în jurul axei Oy. La exterior acest volum este mărginit de rotația curbei din fig. 10 în jurul aceleiași axe.

Diverse exemple de realizare ale unui robot asistent modular pot fi realizate cu diferite module standartizate de roboți (translație, rotație, pivotare, ridicare, basculare, extensie braț, etc.) și dispozitive tipizate cu topologie serială. Abordarea modulară a construcției unui robot asistent modular, care face obiectul acestei invenții, reprezintă o soluție avantajoasă pentru a realiza o mare varietate de construcții diferite în complexitate și utilizare, care va conduce rapid la creșterea manevrabilității, la o adaptabilitte perfectă la mediu de lucru și la scăderea prețului de cost.

Claims (4)

1. RO 131612 Β1

   Revendicări 1

   1. Robot asistent modular care are un braț robotic poliarticulat (A) care include o 3 mulțime de verigi adiacente articulate între ele, mobile una față de cealaltă, aranjate în serie și acționate prin cabluri (9,10,11), fiecare verigă incluzând o față frontală de formă concavă 5 și o față posterioară de formă convexă care definește un locaș semisferic, caracterizat prin aceea că brațul robotic poliarticulat (A) este constituit din două mecanisme spațiale 7 concentrice cu o structură flexiblă, compuse din verigi adiacente articulate între ele, un mecanism exterior (1) și un mecanism interior (2), cel puțin patru cabluri de acționare (9,10, 9

   11, 12) care acționează cele două mecanisme (1, 2) facilitând obținerea de secțiuni de îndoire multiplă în spațiul 3D, robotul fiind echipat și cu un sistem de acționare și comandă 11 (B) care include o structură de bază (13) care susține niște sănii liniare (14, 19) și care asigură și calea de rulare pentru deplasarea acestora pe o axă orizontală, și niște structuri 13 de înaintare-retragere (SIR 1, SIR 2) cu control optoelectronic cu laser, pentru acționarea fiecărui mecanism (1, 2) cu cablurile aferente, pentru a defini natura și amplitudinea 15 mișcărilor.
2. 2. Robot asistent modular conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că 17 mecanismul exterior (1) al brațului robotic poliarticulat (A) cuprinde o verigă exterioară proximală (3), 20 de verigi exterioare intermediare (4), o verigă exterioară distală (5), iar 19 mecanismul interior (2) cuprinde o verigă interioară proximală (6), 34 de verigi interioare intermediare (7) și o verigă interioară distală (8), verigile mecanismului exterior (1) fiind 21 menținute în contact prin intermediul a 3 cabluri (9, 10, 11), dispuse la 120° între ele, și verigile mecanismului interior (2) fiind conectate printr-un cablu central (12). 23
3. 3. Robot asistent modular conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că, în scopul prevenirii răsucirii verigilor exterioare ale mecanismului exterior (1) al brațului robotic 25 poliarticulat (A) în jurul axelor longitudinale, în timpul funcționării, suprafețele cilindrice exterioare ale verigilor exterioare (7, 8, 9) (proximală, intermediare, distală) sunt prevăzute 27 cu câte două canale longitudinale diametral opuse (a), la unul din capete, respectiv, cu două bolțuri (b) la celălalt capăt. 29
4. 4. Robot asistent modular conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că structura de înaintare-retragere (SIR 1) a sistemului de acționare și comandă (B) pentru 31 mișcarea de avans a mecanismul exterior (1), respectiv tensionarea cablurilor (9, 10, 11), este compusă dintr-o sanie liniară (14) antrenată de un mecanism șurub-piuliță (15) acționat 33 de un motor pas cu pas (22), cu trei actuatori liniari digitali cuencoder (16,17,18), asigurând rotirea unghiular tridirecțional de la 0 grade la 15° grade a fiecărei articulații, și structura de 35 înaintare-retragere (SIR 2) a sistemului de acționare și comandă (B) pentru mișcarea de avans a mecanismului interior (2), respectiv tensionarea cablului (12), este compusă dintr-o 37 sanie liniară (19) antrenată de un mecanism șurub-piuliță (20) acționat de un motor pas cu pas (23), cu un actuator liniar digital cu encoder (21), asigurând păstrarea configurației 39 anterioare.