Sistema de compensación de desplazamiento del centro de gravedad por manipulación de cargas para sistema aéreo no tripulado equipado con brazo robótico
Abstract
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.
Full text
ES 2 508 990 B1
19 OFICINA ESPAÑOLA DE
PATENTES Y MARCAS
ESPAÑA 11
21
Núme o de publicación: 2 508 990
Núme o de solici ud: 201330537
51 In . CI.:
B64C 17/02 (2006.01)
B64C 39/02 (2006.01)
B64D 1/22 (2006.01)
12 PATENTE DE INVENCIÓN B1
54 Tí ulo: SISTEMA DE COMPENSACIÓN DE DESPLAZAMIENTO DEL CENTRO DE GRAVEDAD POR
MANIPULACIÓN DE CARGAS PARA SISTEMA AÉREO NO TRIPULADO EQUIPADO CON
BRAZO ROBÓTICO.
73 Ti ula /es:
UNIVERSIDAD DE SEVILLA (20.0%)
Paseo de las Delicias, s/n., Pabellón de B asil
41013 SEVILLA (Se illa) ES;
ASOCIACION DE INVESTIGACION Y
COOPERACION INDUSTRIAL DE ANDALUCIA
(30.0%) y
FUNDACION ANDALUZA PARA EL
DESARROLLO AEROESPACIAL (50.0%)
72 In en o /es:
MARTIN SANCHEZ, Jesus;
HEREDIA BENOT, Guille mo;
OLLERO BATURONE, Anibal;
CANO BAZAGA, Raul;
ESPIN GARCIA, Al a o y
PEREZ MARTINEZ, Ca los
74 Agen e/Rep esen an e:
BARTRINA DIAZ, Jose Ma ia
22 Fecha de p esen ación:
16.04.2013
43 Fecha de publicación de la solici ud:
16.10.2014
Fecha de la concesión:
22.07.2015
45 Fecha de publicación de la concesión:
29.07.2015
57 Resumen:
Sis ema de compensación de desplazamien o del
cen o de g a edad po manipulación de ca gas pa a
sis ema aé eo no ipulado, equipado con b azo
obó ico, que pe mi e manipula ca gas, y que incluye
un sis ema de con ol capaz de de ec a o p e e las
a iaciones del cen o de g a edad del sis ema
ealizando un con ol que aumen e la es abilidad y
p ecisión, incluyendo pa es mó iles pa a compensa
o al o pa cialmen e los desplazamien os del cen o de
g a edad del sis ema p o ocados po los
mo imien os del sis ema obó ico y po las ca gas
manipuladas.
Se puede ealiza consul a p e is a po el a . 37.3.8 LP.
A iso:
Sis ema de compensación de desplazamien o del cen o de g a edad po manipulación de
ca gas pa a sis ema aé eo no ipulado equipado con b azo obó ico
OBJETO DE LA INVENCIÓN 5
La p esen e in ención se e ie e a un sis ema aé eo no ipulado equipado con un sis ema
obó ico que pe mi e manipula ca gas y que incluye un sis ema de con ol capaz de de ec a o
p e e las a iaciones del cen o de g a edad del sis ema ealizando un con ol que aumen e la
es abilidad y p ecisión incluyendo pa es mó iles pa a compensa o al o pa cialmen e los
desplazamien os del cen o de g a edad del sis ema p o ocados po los mo imien os del 10
sis ema obó ico y po las ca gas manipuladas.
La p esen e in ención se encuad a den o del sec o de la écnica de la ae onáu ica y
especí icamen e den o del sec o de la obó ica ae onáu ica y de los sis emas de con ol de
ae ona es y sis emas aé eos no ipulados. 15
ESTADO DE LA TÉCNICA
El mo imien o y la manipulación de ca gas median e un b azo obó ico ins alado en un ehículo
p o oca el desplazamien o del cen o de g a edad del ehículo apa eciendo momen os de 20
ue za que pueden impedi la ope ación o gene a ines abilidades que lleguen a p o oca el
uelco. Si el b azo manipulado se ins ala en un ehículo aé eo el p oblema es más ele an e
debido a que los mencionados desplazamien os del cen o de g a edad y los pa es de ue za
gene ados pueden p o oca ácilmen e la en ada en pé dida de la ae ona e.
25
La de ección, p e isión y compensación de es e ipo de pe u baciones ep esen a un e o
impo an e a la ho a de consegui disposi i os obó icos mó iles y es po ello que exis e
nume osa bibliog a ía al espec o, así como un núme o ele ado de pa en es que en ocan el
p oblema desde di e sas pe spec i as.
30
Exis e una as a bibliog a ía espec o al p oblema de manipula ca gas con b azos a iculados
anclados y ijados a una supe icie como el suelo o el echo. Pa a calcula y mi iga o adap a se
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DESCRIPCIÓN
a dichos e ec os exis en di e sas es a egias como el empleo de senso es de ue za o p esión
si uados en e el disposi i o obó ico y la ca ga, o el con ol en elocidad eniendo en cuen a
los e ec os ine ciales p o ocados po la ca ga manipulada. En las pa en es con núme os de
publicación KR20000021209 [1], WO8800368 [2], WO2009088828 [3] ó US5444612 [4] se
encuen an algunos ejemplos de dichas p opues as. Todas es as es a egias, mé odos y 5
sis emas son de poca u ilidad cuando el disposi i o obó ico es á mon ado sob e un ehículo
cuyo mo imien o puede se a ec ado po las masas e ine cias del b azo obó ico. En [5] se
es udian es a egias de con ol pa a un b azo obó ico mó il si uado sob e un ehículo e es e
analizando la in e elación en e dicho b azo y el ehículo, in en ando minimiza el e o
come ido en el posicionamien o. 10
Se pueden encon a ambién múl iples e e encias, an o en pa en es como en publicaciones
nacionales e in e nacionales, sob e sis emas des inados a de e mina los desplazamien os del
cen o de g a edad po manipulación de ca gas an o cen ados en mos a algún ipo de
ala ma como en la de e minación p ecisa pa a la modi icación de la ac uación 15
(US20090143896 [6]).Es os abajos se basan en dis in os ipos de senso es, p incipalmen e
de ue za, pe o en ningún caso los sis emas son capaces de modi ica la con igu ación pa a
compensa los desplazamien os del cen o de g a edad.
En el ámbi o de las aplicaciones espaciales se han ealizado nume osos abajos que 20
conside an las in e acciones en e el mo imien o de b azos manipulado es y los ehículos que
los po an ([7][8][9]), y se han p esen ado di e en es ap oximaciones pa a inclui en el bucle de
con ol los e ec os de las pa es mó iles sob e la dinámica del sis ema ([10][11][12][13][14]).
Todas es as publicaciones, sin emba go, se cen an sólo en la modi icación de los algo i mos
de con ol pa a con empla el mo imien o del b azo pe o no emplean pa es mó iles 25
especí icamen e dedicadas a compensa las ue zas in e nas gene adas. Además, la aplicación
de es os sis emas y es a egias no es di ec a en ningún caso a los casos de ehículos no
o bi ales dado que no se en a ec ados po la g a edad, un ac o undamen al a ene en
cuen a en el p oblema que esuel e la in ención aquí p esen ada.
30
En el caso de sis emas aé eos, se han encon ado di e sas in enciones, algunas incluso
u ilizadas en sis emas come ciales, pa a modi ica el cen o de g a edad. La más conocida
consis e en la ans e encia de combus ible en e los di e en es depósi os de las ae ona es que
u ilizan, po ejemplo, algunos modelos de Ai bus como el A380 o el A340. En la pa en e
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WO2009144046 [15] se mues a un mé odo y disposi i o pa a con ola los modos de ib ación
e icales, pa a las dos p ime as ecuencias na u ales del sis ema, cuando un helicóp e o
anspo a una ca ga median e un a nés. En la pa en e US2011084162 [16] se p esen a un
sis ema y es uc u a que pe mi e edis ibui la ca ga de mane a in eligen e cuando pa e de ella
se dispensa, acomodando el cen o de g a edad del sis ema aé eo no ipulado a la nue a 5
dis ibución de ca gas de o ma que se man enga en la misma e ical en la que es a ía si no
se anspo ase ninguna ca ga. Dicho sis ema sólo es de aplicación a ca gas anspo adas con
un a nés y no pa a la manipulación de ca gas, pudiendo con empla se solo el caso de ealiza
en egas pa ciales de la misma que pe mi an una econ igu ación del posicionamien o de dicha
ca ga. 10
No se ha encon ado en la bibliog a ía p e ia ninguna in ención pa a la compensación del
desplazamien o de cen o de g a edad po manipulación de ca gas de sis emas aé eos no
ipulados como la p esen ada en la p esen e pa en e.
15
Re e encias:
[1]. P. Jong O, J. S. Hoon. “Au oma ic compensa ion me hod o o ce and o que senso
o g a i y weigh ”. Pa en e KR20000021209
[2]. K. Mi suo, S. Keiji, I. Takashi. “Robo Con ol appa a us”. Pa en e WO8800368 20
[3]. H. Jianmin, W. Jianjun, Z. Hui. “Me hod and appa a us using a o ce senso o
p o ide load compensa ion o a obo ”. Pa en e WO2009088828
[4]. T. Nobu oshi, N. Ryo, K. Te suaki. “Adap a i e PI con ol sys em”. Pa en e 25
US5444612
[5]. N. A. M. Hoo smans and S. Dubowsky. “La ge Mo ion con ol o mobile manipula o s
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In e na ional Con e ence on Robo ics and Au oma ion, Sac amen o, CA. 1991 30
[6]. V. Jana dhan, J. K. Be y, B. Min ah, E. G. B and , R. J. P ice, K. D.King. “Payload
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35
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Camb idge Uni e si y P ess. 2007.
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Lec u e no es in Con ol and In o ma ion Sciences 162 (C. Canudas de Wi ed.)
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20
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sys ems” Robo ica 22(3), 271-283. 2004
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30
[16]. G. Em ay, G. Ka he ine. “Au onomous payload pa sing managemen sys em and
s uc u e o an unmanned ae ial ehicle”. Pa en e US2011084162.
El sis ema de compensación que se p opone con la p esen e in ención iene p incipalmen e
cua o en ajas en e a lo an e io men e conocido:
35
1) Pe mi e es abiliza el uelo del conjun o de o ma más ápida que u ilizando únicamen e
los mecanismos de ac uación de la pla a o ma aé ea, educiendo además la ampli ud
de las oscilaciones que se o iginan has a alcanza la e e encia de con ol.
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2) Disminuye los es ue zos que ienen que ealiza los mecanismos de ac uación de la
pla a o ma pa a que el conjun o siga la e e encia de con ol, aumen ando de es a o ma
su iabilidad en uelo y educiendo su man enimien o.
3) Inc emen a la au onomía de la ba e ía, dado que el consumo del ac uado que mue e el 5
con apeso mó il es, po lo gene al, mucho meno que el inc emen o de consumo de
los mecanismos de ac uación pa a ealiza la es abilización cuando el sis ema de
compensación no es á p esen e.
4) Aumen a la en ol en e de uelo, dado que se amplían las posibles con igu aciones que 10
el b azo obó ico puede adop a an es de llega a la sa u ación de los mecanismos de
ac uación.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
15
Se a a de un sis ema de compensación de desplazamien o del cen o de g a edad debido a
la manipulación de ca gas median e un disposi i o obó ico ins alado en un sis ema aé eo no
ipulado con capacidades de maniob a adecuadas pa a la ealización de los abajos que se
p e endan ejecu a . Típicamen e se á una ae ona e de ala o a o ia, aunque no se desca an
o os ehículos aé eos no ipulados, equipado con un b azo obó ico equipado con la o las 20
he amien as necesa ias en cada caso, como ga as y o os e ec o es inales.
El sis ema aé eo no ipulado posee un sis ema de con ol de uelo capaz de o dena las
ac uaciones necesa ias pa a es abiliza el uelo de la ae ona e no ipulada y ealiza las
ope aciones deseadas. La in ención comp ende un mecanismo de compensación de 25
desplazamien o del cen o de g a edad median e el mo imien o de la ba e ía del sis ema
incluyendo un sis ema de con ol pa a dicho mecanismo capaz de o dena las ac uaciones
necesa ias y de en ia y ecibi la in o mación necesa ia al sis ema de con ol de uelo de la
ae ona e no ipulada.
30
El sis ema al que se aplica á la p esen e in ención incluye un b azo obó ico a bo do del
sis ema aé eo no ipulado que no malmen e, aunque no obliga o iamen e, inclui á un sis ema
de almacenamien o y dis ibución de ene gía p opio, dis in o del de la ae ona e. El disposi i o
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obó ico es ípicamen e un b azo con una o a ias a iculaciones que pe mi en el mo imien o
del mismo pa a manipula ca gas y dispone de un disposi i o e ec o inal que pe mi e el aga e
o la ope ación de dichas ca gas. Dicho disposi i o es, en el caso más ípico, una ga a, aunque
pod ía conside a se la u ilización de o as he amien as pa a ealiza ope aciones ales como el
alad ado o la oma de mues as. La ope ación del disposi i o obó ico puede e ec ua se, de 5
o ma eleope ada o au ónoma, cuando la ae ona e es á en uelo es aciona io o incluso
median e mo imien os coo dinados de la ae ona e y el b azo. No obs an e, el con ol pa a la
es abilización incluye, o puede inclui , ealimen ación con in o mación sob e la posición del
cen o de g a edad del conjun o o mado po el b azo y el disposi i o e ec o inal.
10
El obje i o úl imo del sis ema obje o de la in ención es consegui un uelo es able aunque el
b azo obó ico ealice mo imien os pa a el aga e y manipulación de ca gas. Pa a ello se
p opone un sis ema mix o que consis e en una compensación mecánica de los
desplazamien os del cen o de g a edad y unas modi icaciones de las ac uaciones gene adas
po el sis ema de con ol de uelo. La compensación mecánica se consegui á median e el 15
mo imien o de un elemen o mó il del sis ema, po ejemplo la ba e ía del sis ema obó ico, al
que se denomina á elemen o mó il compensado (EMC) de o ma que el cen o de g a edad
del conjun o o mado po el b azo el disposi i o e ec o inal y la ca ga, más el EMC,
pe manezca en el mismo eje pe pendicula en el que se encuen a el cen o de g a edad del
sis ema aé eo sin mon a ni el b azo obó ico ni la ca ga. El desplazamien o del elemen o mó il 20
es á limi ado po la cons ucción del disposi i o mecánico que pe mi e el mo imien o y, en
cie os casos, puede que no sea su icien e el desplazamien o máximo disponible pa a la
compensación del desplazamien o del cen o de g a edad del sis ema. En dichos casos, el
sis ema de con ol de uelo debe se capaz de co egi la a iación de las ca ac e ís icas del
sis ema aé eo, ealizando a iaciones en las ac uaciones median e la modi icación de los 25
pa áme os ca ac e ís icos.
Si se conocen las ca ac e ís icas cons uc i as del b azo obó ico, en conc e o la posición del
cen o de g a edad de cada uno de los componen es en e una a iculación y o a, y se dispone
de la posición de las a iculaciones en e la cogida a la ae ona e no ipulada y el componen e 30
del que se quie e calcula , es posible calcula , empleando el modelo del b azo, la des iación
del cen o de masas espec o del eje en el que se si úa dicho cen o de masas en el caso de
que la ae ona e no ipulada no po e b azo obó ico ni ca ga alguna. De la misma mane a, si
se conoce la ca ga que se a a anspo a o manipula , es posible de e mina el cen o de
g a edad de la misma, y inalmen e el desplazamien o del cen o de g a edad de una o ma 35
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simila a la que se ealiza cuando no exis e ca ga. El sis ema de con ol del mo imien o del
EMC debe dispone ambién de un sis ema de cálculo con sa u ación en caso de que la
posición ideal del elemen o mó il sob epase los lími es ísicos es ablecidos po la cons ucción
ísica del disposi i o. Se a a de que, si el alo eó ico supe a dichos lími es máximos, se si úe
el EMC en la posición de máximo desplazamien o co espondien e. En es e caso el sis ema de 5
con ol en uelo debe enca gase de ealiza el es o de la compensación del sis ema.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Figu a 1Figu a 1 mues a los di e en es componen es del ejemplo de ealización p e e en e 10
cons i uido po un quad ó o equipado con un b azo obó ico y un sis ema pa a la
compensación del desplazamien o del cen o de g a edad del conjun o basado en una ba e ía
mó il.
La Figu a 2 mues a la posición de los cen os de g a edad de cada uno de los segmen os del 15
b azo y de la ba e ía mó il, las a iables asociadas al mo imien o angula de los segmen os y
al mo imien o lineal de la ba e ía, y los pa áme os geomé icos básicos necesa ios pa a
elaciona es as a iables.
Los elemen os e e enciados en las igu as ep esen an:
- 1 Segmen o 1 del b azo obó ico. 20
- 2 Segmen o 2 del b azo obó ico.
- 3 Ba e ía mó il.
- 4 E ec o inal.
- 5 Quad ó o .
- X Eje de coo denadas. 25
- X1 Posición del cen o de g a edad del segmen o del b azo obó ico más ce cano a la
base del quad ó o .
- X2 Posición del cen o de g a edad del segmen o del b azo obó ico más lejano a la
base del quad ó o .
- X3 Posición del cen o de g a edad de la ba e ía mó il. 30
- α1 Ángulo gi ado po el segmen o del b azo obó ico más ce cano a la base del
quad ó o .
- α2 Ángulo gi ado po el segmen o del b azo obó ico más lejano a la base del
quad ó o .
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- d Dis ancia eco ida po la ba e ía mó il.
- ℓ Longi ud del segmen o 1 del b azo obó ico.
- k1 Dis ancia en e el ex emo inicial del segmen o 1 del b azo obó ico y el cen o de
g a edad de es e segmen o.
- k2 Dis ancia en e el ex emo inicial del segmen o 2 del b azo obó ico, y el cen o de 5
g a edad de es e segmen o.
EJEMPLO DE REALIZACIÓN PREFERENTE
Se desc ibe a con inuación un ejemplo de ealización de la in ención sin que dicha p opues a
de ealización suponga la opción óp ima ni limi e en mane a alguna las posibilidades de 10
ealización de la misma.
El obje o de la in ención, desc i o en el epíg a e “Explicación de la In ención”, pa a una
pla a o ma aé ea no ipulada equipada con un b azo obó ico, pe mi e la compensación del
desplazamien o del cen o de g a edad del conjun o cuando el b azo obó ico cambia su 15
con igu ación.
Es a compensación consis e en a a de man ene el cen o de g a edad mencionado en una
posición ija espec o a la es uc u a de la pla a o ma aé ea. Pa a ello se ecu e a desplaza un
con apeso mó il simul áneamen e al mo imien o del p opio b azo obó ico. Adicionalmen e, se 20
p ocu a que la posición ija en o no a la que se quie e es abiliza el cen o de g a edad del
conjun o (pla a o ma aé ea más b azo obó ico) sea lo más ce cana posible a la posición en el
que se encuen a el cen o de g a edad de la pla a o ma aé ea cuando no a equipada con el
b azo obó ico. Es a coincidencia geomé ica de cen os de g a edad mejo a la es abilidad del
conjun o, pues o que el cen o de g a edad de la pla a o ma se si úa, desde su diseño, pa a 25
que és a ope e óp imamen e.
El modo de ealización p opues o, que se mues a en la igu a 1, emplea un quad ó o (5) como
pla a o ma aé ea, un b azo obó ico compues o po dos segmen os a iculados (1 y 2) y un
e ec o inal ipo pinza (4). Cada una de es as dos a iculaciones pe mi e la o ación en un plano 30
del segmen o asociado, siendo dicho plano, pa a es e caso pa icula , coinciden e pa a ambos
segmen os. Cuando la pla a o ma aé ea se encuen a es abilizada ealizando uelo a pun o ijo,
es e plano común es e ical (pa alelo a la di ección del ec o g a edad).
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INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TÉCNICA
Nº de solici ud:
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CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD
B64C17/02 (2006.01)
B64C39/02 (2006.01)
B64D1/22 (2006.01)
Documen ación mínima buscada (sis ema de clasi icación seguido de los símbolos de clasi icación)
B64C, B64D
Bases de da os elec ónicas consul adas du an e la búsqueda (nomb e de la base de da os y, si es posible, é minos de
búsqueda u ilizados)
EPODOC
In o me sob e el es ado de la écnica
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OPINIÓN ESCRITA
Nº de solici ud: 201330537
Fecha de ealización de la opinión esc i a: 25.07.2014
Decla ación
No edad (a . 6.1 LP 11/1986)
Rei indicaciones
1-5
SÍ
Rei indicaciones
NO
Ac i idad in en i a (a . 8.1 LP 11/1986)
Rei indicaciones
SÍ
Rei indicaciones
1-5
NO
Se conside a que la solici ud cumple con el equisi o de aplicación indus ial. Es e equisi o ue e aluado du an e la ase de
examen o mal y écnico de la solici ud (a ículo 31.2 ley 11/1986).
Base de la opinión.
La p esen e opinión se ha ealizado sob e la base de la solici ud de pa en e al y como se publica.
In o me sob e el es ado de la écnica
Página 3/4
OPINIÓN ESCRITA
Nº de solici ud: 201330537
1. Documen os conside ados.
A con inuación se elacionan los documen os pe enecien es al es ado de la écnica omados en conside ación pa a la
ealización de es a opinión.
Documen o Núme o de publicación o iden i icación 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 e al.)
14.04.2011
D04
DE 102005012744 A1 (RAEDER)
06.04.2006
D05
GB 2270510 A (COCHRANE)
16.03.1994
2. Decla ación mo i ada según los a ículos 29.6 y 29.7 del eglamen o de ejecución de la ley 11/1986, de 20 de
ma zo, de Pa en es sob e la no edad y la ac i idad in en i a; ci as y explicaciones en apoyo de es a decla ación
El documen o D01 p esen a, según se es ablece en la ei indicación 1 de la solici ud p esen ada, «un sis ema aé eo no
ipulado con b azo mecánico a iculado ( e D01, pá a os [0008] - [0009], [0030]; igu a 1), que p esen a un disposi i o
mecánico que con ie e en mó il un elemen o ( e D01; con apesos 32; igu as 9-10) pa a compensa el desplazamien o
del cen o de g a edad po el mo imien o del b azo mecánico» (D01; pá a os [0014], [0050], [0054]; igu as 9-
10; el
disposi i o mecánico no apa ece desc i o, pe o se ía ob io pa a un expe o en la ma e ia). Po es o, se conside a que la
ei indicación 1 ca ece de ac i idad in en i a a la is a del documen o D01. Lo mismo puede a gumen a se a pa i del
documen o D03 ( e pá a os [0033], [0060] - [0061], [0065] - [0068]).
Las ei indicaciones dependien es 3-5, en elación con los sis emas au omá icos de con ol de posición del cen o de
g a edad y de con ol de uelo, apa ecen ambién desc i os en los documen os D01 ( e pá a os [0052] - [0055]) y D03 ( e
pá a os [0065] - [0073]). La ei indicación dependien e 2, ela i a a la u ilización de la ba e ía como con apeso mó il, se
encuen a el documen o D02 ( e desc ipción, líneas 7-8). Po odo ello, se conside a que las ei indicaciones dependien es
2-5 ca ecen de ac i idad in en i a.
Los documen os D04 - D05 e lejan el es ado de la écnica y se añaden pa a conocimien o del solici an e.
In o me sob e el es ado de la écnica
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