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

ES 2 508 990 B1 19 OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA 11 21 Número de publicación: 2 508 990 Número de solicitud: 201330537 51 Int. CI.: B64C 17/02 (2006.01) B64C 39/02 (2006.01) B64D 1/22 (2006.01) 12 PATENTE DE INVENCIÓN B1 54 Título: SISTEMA DE COMPENSACIÓN DE DESPLAZAMIENTO DEL CENTRO DE GRAVEDAD POR MANIPULACIÓN DE CARGAS PARA SISTEMA AÉREO NO TRIPULADO EQUIPADO CON BRAZO ROBÓTICO. 73 Titular/es: UNIVERSIDAD DE SEVILLA (20.0%) Paseo de las Delicias, s/n., Pabellón de Brasil 41013 SEVILLA (Sevilla) ES; ASOCIACION DE INVESTIGACION Y COOPERACION INDUSTRIAL DE ANDALUCIA (30.0%) y FUNDACION ANDALUZA PARA EL DESARROLLO AEROESPACIAL (50.0%) 72 Inventor/es: MARTIN SANCHEZ, Jesus; HEREDIA BENOT, Guillermo; OLLERO BATURONE, Anibal; CANO BAZAGA, Raul; ESPIN GARCIA, Alvaro y PEREZ MARTINEZ, Carlos 74 Agente/Representante: BARTRINA DIAZ, Jose Maria 22 Fecha de presentación: 16.04.2013 43 Fecha de publicación de la solicitud: 16.10.2014 Fecha de la concesión: 22.07.2015 45 Fecha de publicación de la concesión: 29.07.2015 57 Resumen: 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. Se puede realizar consulta prevista por el art. 37.3.8 LP. Aviso: 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 5 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 10 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. 15 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 20 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. 25 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. 30 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 P201330537 16-04-2013  ES 2 508 990 B1 2 DESCRIPCIÓN 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], WO8800368 [2], WO2009088828 [3] ó US5444612 [4] se encuentran algunos ejemplos de dichas propuestas. Todas estas estrategias, métodos y 5 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. 10 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 15 (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 20 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 25 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. 30 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 P201330537 16-04-2013  ES 2 508 990 B1 3 WO2009144046 [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 5 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. 10 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. 15 Referencias: [1]. P. Jong O, J. S. Hoon. “Automatic compensation method of force and torque sensor for gravity weight”. Patente KR20000021209 [2]. K. Mitsuo, S. Keiji, I. Takashi. “Robot Control apparatus”. Patente WO8800368 20 [3]. H. Jianmin, W. Jianjun, Z. Hui. “Method and apparatus using a force sensor to provide load compensation for a robot”. Patente WO2009088828 [4]. T. Nobutoshi, N. Ryo, K. Tetsuaki. “Adaptative PI control system”. Patente 25 US5444612 [5]. N. A. M. Hootsmans and S. Dubowsky. “Large Motion control of mobile manipulators including vehicle suspension characteristics” Proceeding of the 1991 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Sacramento, CA. 1991 30 [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. 35 [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. P201330537 16-04-2013  ES 2 508 990 B1 4 [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 5 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. 10 [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 15 singularities” 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 Berlin, D, pp 285-295 1991 20 [13]. K. Yoshida. “Impact Dynamics Representation and Control With Extended-Inversed Inertia Tensor for Space Manipulators” Proceedings of the 6th 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 25 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 WO2009144046 30 [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 a lo anteriormente conocido: 35 1) Permite estabilizar el vuelo del conjunto de forma más rápida que utilizando únicamente los mecanismos de actuación de la plataforma aérea, reduciendo además la amplitud de las oscilaciones que se originan hasta alcanzar la referencia de control. P201330537 16-04-2013  ES 2 508 990 B1 5 2) Disminuye los esfuerzos que tienen que realizar los mecanismos de actuación de la plataforma para que el conjunto siga la referencia de control, aumentando de esta forma su fiabilidad en vuelo y reduciendo su mantenimiento. 3) Incrementa la autonomía de la batería, dado que el consumo del actuador que mueve el 5 contrapeso móvil es, por lo general, mucho menor que el incremento de consumo de los mecanismos de actuación para realizar la estabilización cuando el sistema de compensación no está presente. 4) Aumenta la envolvente de vuelo, dado que se amplían las posibles configuraciones que 10 el brazo robótico puede adoptar antes de llegar a la saturación de los mecanismos de actuación. EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN 15 Se trata de un sistema de compensación de desplazamiento del centro de gravedad debido a la manipulación de cargas mediante un dispositivo robótico instalado en un sistema aéreo no tripulado con capacidades de maniobra adecuadas para la realización de los trabajos que se pretendan ejecutar. Típicamente será una aeronave de ala rotatoria, aunque no se descartan otros vehículos aéreos no tripulados, equipado con un brazo robótico equipado con la o las 20 herramientas necesarias en cada caso, como garras y otros efectores finales. El sistema aéreo no tripulado posee un sistema de control de vuelo capaz de ordenar las actuaciones necesarias para estabilizar el vuelo de la aeronave no tripulada y realizar las operaciones deseadas. La invención comprende un mecanismo de compensación de 25 desplazamiento del centro de gravedad mediante el movimiento de la batería del sistema incluyendo un sistema de control para dicho mecanismo capaz de ordenar las actuaciones necesarias y de enviar y recibir la información necesaria al sistema de control de vuelo de la aeronave no tripulada. 30 El sistema al que se aplicará la presente invención incluye un brazo robótico a bordo del sistema aéreo no tripulado que normalmente, aunque no obligatoriamente, incluirá un sistema de almacenamiento y distribución de energía propio, distinto del de la aeronave. El dispositivo P201330537 16-04-2013  ES 2 508 990 B1 6 robótico es típicamente un brazo con una o varias articulaciones que permiten el movimiento del mismo para manipular cargas y dispone de un dispositivo efector final que permite el agarre o la operación de dichas cargas. Dicho dispositivo es, en el caso más típico, una garra, aunque podría considerarse la utilización de otras herramientas para realizar operaciones tales como el taladrado o la toma de muestras. La operación del dispositivo robótico puede efectuarse, de 5 forma teleoperada o autónoma, cuando la aeronave está en vuelo estacionario o incluso mediante movimientos coordinados de la aeronave y el brazo. No obstante, el control para la estabilización incluye, o puede incluir, realimentación con información sobre la posición del centro de gravedad del conjunto formado por el brazo y el dispositivo efector final. 10 El objetivo último del sistema objeto de la invención es conseguir un vuelo estable aunque el brazo robótico realice movimientos para el agarre y manipulación de cargas. Para ello se propone un sistema mixto que consiste en una compensación mecánica de los desplazamientos del centro de gravedad y unas modificaciones de las actuaciones generadas por el sistema de control de vuelo. La compensación mecánica se conseguirá mediante el 15 movimiento de un elemento móvil del sistema, por ejemplo la batería del sistema robótico, al que se denominará elemento móvil compensador (EMC) de forma que el centro de gravedad del conjunto formado por el brazo el dispositivo efector final y la carga, más el EMC, permanezca en el mismo eje perpendicular en el que se encuentra el centro de gravedad del sistema aéreo sin montar ni el brazo robótico ni la carga. El desplazamiento del elemento móvil 20 está limitado por la construcción del dispositivo mecánico que permite el movimiento y, en ciertos casos, puede que no sea suficiente el desplazamiento máximo disponible para la compensación del desplazamiento del centro de gravedad del sistema. En dichos casos, el sistema de control de vuelo debe ser capaz de corregir la variación de las características del sistema aéreo, realizando variaciones en las actuaciones mediante la modificación de los 25 parámetros característicos. Si se conocen las características constructivas del brazo robótico, en concreto la posición del centro de gravedad de cada uno de los componentes entre una articulación y otra, y se dispone de la posición de las articulaciones entre la cogida a la aeronave no tripulada y el componente 30 del que se quiere calcular, es posible calcular, empleando el modelo del brazo, la desviación del centro de masas respecto del eje en el que se sitúa dicho centro de masas en el caso de que la aeronave no tripulada no porte brazo robótico ni carga alguna. De la misma manera, si se conoce la carga que se va a transportar o manipular, es posible determinar el centro de gravedad de la misma, y finalmente el desplazamiento del centro de gravedad de una forma 35 P201330537 16-04-2013  ES 2 508 990 B1 7 similar a la que se realiza cuando no existe carga. El sistema de control del movimiento del EMC debe disponer también de un sistema de cálculo con saturación en caso de que la posición ideal del elemento móvil sobrepase los límites físicos establecidos por la construcción física del dispositivo. Se trata de que, si el valor teórico supera dichos límites máximos, se sitúe el EMC en la posición de máximo desplazamiento correspondiente. En este caso el sistema de 5 control en vuelo debe encargase de realizar el resto de la compensación del sistema. DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La Figura 1Figura 1 muestra los diferentes componentes del ejemplo de realización preferente 10 constituido por un quadrótor equipado con un brazo robótico y un sistema para la compensación del desplazamiento del centro de gravedad del conjunto basado en una batería móvil. La Figura 2 muestra la posición de los centros de gravedad de cada uno de los segmentos del 15 brazo y de la batería móvil, las variables asociadas al movimiento angular de los segmentos y al movimiento lineal de la batería, y los parámetros geométricos básicos necesarios para relacionar estas variables. Los elementos referenciados en las figuras representan: - 1 Segmento 1 del brazo robótico. 20 - 2 Segmento 2 del brazo robótico. - 3 Batería móvil. - 4 Efector final. - 5 Quadrótor. - X Eje de coordenadas. 25 - X1 Posición del centro de gravedad del segmento del brazo robótico más cercano a la base del quadrótor. - X2 Posición del centro de gravedad del segmento del brazo robótico más lejano a la base del quadrótor. - X3 Posición del centro de gravedad de la batería móvil. 30 - α1 Ángulo girado por el segmento del brazo robótico más cercano a la base del quadrótor. - α2 Ángulo girado por el segmento del brazo robótico más lejano a la base del quadrótor. P201330537 16-04-2013  ES 2 508 990 B1 8 - d Distancia recorrida por la batería móvil. - ℓ Longitud del segmento 1 del brazo robótico. - k1 Distancia entre el extremo inicial del segmento 1 del brazo robótico y el centro de gravedad de este segmento. - k2 Distancia entre el extremo inicial del segmento 2 del brazo robótico, y el centro de 5 gravedad de este segmento. EJEMPLO DE REALIZACIÓN PREFERENTE Se describe a continuación un ejemplo de realización de la invención sin que dicha propuesta de realización suponga la opción óptima ni limite en manera alguna las posibilidades de 10 realización de la misma. El objeto de la invención, descrito en el epígrafe “Explicación de la Invención”, para una plataforma aérea no tripulada equipada con un brazo robótico, permite la compensación del desplazamiento del centro de gravedad del conjunto cuando el brazo robótico cambia su 15 configuración. Esta compensación consiste en tratar de mantener el centro de gravedad mencionado en una posición fija respecto a la estructura de la plataforma aérea. Para ello se recurre a desplazar un contrapeso móvil simultáneamente al movimiento del propio brazo robótico. Adicionalmente, se 20 procura que la posición fija en torno a la que se quiere estabilizar el centro de gravedad del conjunto (plataforma aérea más brazo robótico) sea lo más cercana posible a la posición en el que se encuentra el centro de gravedad de la plataforma aérea cuando no va equipada con el brazo robótico. Esta coincidencia geométrica de centros de gravedad mejora la estabilidad del conjunto, puesto que el centro de gravedad de la plataforma se sitúa, desde su diseño, para 25 que ésta opere óptimamente. El modo de realización propuesto, que se muestra en la figura 1, emplea un quadrótor (5) como plataforma aérea, un brazo robótico compuesto por dos segmentos articulados (1 y 2) y un efector final tipo pinza (4). Cada una de estas dos articulaciones permite la rotación en un plano 30 del segmento asociado, siendo dicho plano, para este caso particular, coincidente para ambos segmentos. Cuando la plataforma aérea se encuentra estabilizada realizando vuelo a punto fijo, este plano común es vertical (paralelo a la dirección del vector gravedad). P201330537 16-04-2013  ES 2 508 990 B1 9 INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TÉCNICA Nº de solicitud: 201330537 CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD B64C17/02 (2006.01) B64C39/02 (2006.01) B64D1/22 (2006.01) Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) B64C, B64D Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados) EPODOC Informe sobre el estado de la técnica Página 2/4 OPINIÓN ESCRITA Nº de solicitud: 201330537 Fecha de realización de la opinión escrita: 25.07.2014 Declaración Novedad (art. 6.1 LP 11/1986) Reivindicaciones 1-5 SÍ Reivindicaciones NO Actividad inventiva (art. 8.1 LP 11/1986) Reivindicaciones SÍ Reivindicaciones 1-5 NO Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (artículo 31.2 ley 11/1986). Base de la opinión. La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica. Informe sobre el estado de la técnica Página 3/4 OPINIÓN ESCRITA Nº de solicitud: 201330537 1. Documentos considerados. A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión. Documento Número de publicación o identificación Fecha de publicación D01 US 2009/0050750 A1 (GOOSSEN) 26.02.2009 D02 FR 2926787 A1 (JONIOT) 31.07.2009 D03 US 2011/0084162 A1 (GOOSSEN et al.) 14.04.2011 D04 DE 102005012744 A1 (RAEDER) 06.04.2006 D05 GB 2270510 A (COCHRANE) 16.03.1994 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del reglamento de ejecución de la ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración El documento D01 presenta, según se establece en la reivindicación 1 de la solicitud presentada, «un sistema aéreo no tripulado con brazo mecánico articulado (ver D01, párrafos [0008] - [0009], [0030]; figura 1), que presenta un dispositivo mecánico que convierte en móvil un elemento (ver D01; contrapesos 32; figuras 9-10) para compensar el desplazamiento del centro de gravedad por el movimiento del brazo mecánico» (D01; párrafos [0014], [0050], [0054]; figuras 9- 10; el dispositivo mecánico no aparece descrito, pero sería obvio para un experto en la materia). Por esto, se considera que la reivindicación 1 carece de actividad inventiva a la vista del documento D01. Lo mismo puede argumentarse a partir del documento D03 (ver párrafos [0033], [0060] - [0061], [0065] - [0068]). Las reivindicaciones dependientes 3-5, en relación con los sistemas automáticos de control de posición del centro de gravedad y de control de vuelo, aparecen también descritos en los documentos D01 (ver párrafos [0052] - [0055]) y D03 (ver párrafos [0065] - [0073]). La reivindicación dependiente 2, relativa a la utilización de la batería como contrapeso móvil, se encuentra el documento D02 (ver descripción, líneas 7-8). Por todo ello, se considera que las reivindicaciones dependientes 2-5 carecen de actividad inventiva. Los documentos D04 - D05 reflejan el estado de la técnica y se añaden para conocimiento del solicitante. Informe sobre el estado de la técnica Página 4/4