ES2797550B2 - ELASTIC DEVICE WITH VARIABLE RIGIDITY, ACTUATOR WITH VARIABLE RIGIDITY AND COUPLING WITH VARIABLE RIGIDITY - Google Patents
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Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
DISPOSITIVO ELÁSTICO CON RIGIDEZ VARIABLE, ACTUADOR CON RIGIDEZ ELASTIC DEVICE WITH VARIABLE RIGIDITY, ACTUATOR WITH RIGIDITY
VARIABLE Y ACOPLAMIENTO CON RIGIDEZ VARIABLEVARIABLE AND COUPLING WITH VARIABLE RIGIDITY
Objeto de la invenciónObject of the invention
La presente invención pertenece, entre otros, al campo técnico de las conexiones mecánicas y es de utilidad en numerosos sectores diferentes, tales como, por ejemplo y sin carácter limitativo, la robótica, los exoesqueletos, las suspensiones de vehículos, las máquinas de rehabilitación, las máquinas de musculación, así como en los sistemas estructurales.The present invention belongs, among others, to the technical field of mechanical connections and is useful in many different sectors, such as, for example and without limitation, robotics, exoskeletons, vehicle suspensions, rehabilitation machines, bodybuilding machines, as well as structural systems.
Más en particular, la presente invención tiene por objeto un dispositivo elástico con rigidez variable. Dicho dispositivo elástico puede regularse a voluntad de forma que -al verse sometido a la acción de un par- la deflexión angular generada en dicho dispositivo como consecuencia de la acción de dicho par, sea de mayor o menor magnitud.More particularly, the present invention has for its object an elastic device with variable stiffness. Said elastic device can be adjusted at will so that - when subjected to the action of a torque - the angular deflection generated in said device as a consequence of the action of said torque, is of greater or lesser magnitude.
Asimismo, la invención se refiere igualmente a un actuador con rigidez variable que comprende, al menos, uno de los dispositivos elásticos con rigidez variable mencionados anteriormente.Likewise, the invention also relates to an actuator with variable stiffness comprising at least one of the elastic devices with variable stiffness mentioned above.
Por último, la invención se refiere igualmente a un acoplamiento con rigidez variable que comprende, al menos, uno de los dispositivos elásticos con rigidez variable mencionados anteriormente.Lastly, the invention also relates to a coupling with variable stiffness comprising at least one of the elastic devices with variable stiffness mentioned above.
Problema técnico a resolver y antecedentes de la invenciónTechnical problem to be solved and background of the invention
En términos mecánicos y estructurales, la rigidez de un elemento es la relación existente entre la fuerza que se aplica a dicho elemento y la deflexión que dicho elemento experimenta debido a la acción de dicha fuerza.In mechanical and structural terms, the stiffness of an element is the relationship between the force applied to said element and the deflection that said element experiences due to the action of said force.
Así, por ejemplo, la rigidez a torsión KT es la relación existente entre el par torsor dM aplicado a un elemento y la deflexión angular d0 obtenida en éste: Thus, for example, torsional stiffness KT is the relationship between the torque dM applied to an element and the angular deflection d0 obtained in it:
dMdM
k t Hek t He
La rigidez de un elemento está también relacionada con la capacidad que tiene éste de transmitir esfuerzos mecánicos, limitando su transmisión ante aumentos de la fuerza o el par mientras no se alcance una mayor deflexión en el elemento.The stiffness of an element is also related to its ability to transmit mechanical stresses, limiting its transmission to increases in force or torque as long as a greater deflection is not achieved in the element.
Muchos sistemas de ingeniería pueden ver mejoradas sus características si disponen de elementos con rigidez regulable.Many engineering systems can see their characteristics improved if they have elements with adjustable stiffness.
Así, por ejemplo las rigideces de los elementos que constituyen un sistema estructural influyen en las frecuencias naturales de vibración o velocidades de giro críticas de dicho sistema. El diseño estructural tiene, entre otros objetivos, determinar las rigideces de los distintos elementos que configuran un sistema estructural para que sus frecuencias naturales o velocidades de giro críticas estén alejadas de las frecuencias a las que actúan las solicitaciones sobre el sistema. La incorporación de elementos de rigidez variable a sistemas estructurales sería, por tanto, beneficiosa, ya que permitiría aumentar la versatilidad dichos sistemas estructurales al ser posible variar su rigidez, en función de las frecuencias a las que actúan las solicitaciones.Thus, for example, the stiffnesses of the elements that constitute a structural system influence the natural frequencies of vibration or critical rotational speeds of said system. The structural design has, among other objectives, to determine the stiffness of the different elements that make up a structural system so that their natural frequencies or critical rotational speeds are far from the frequencies at which the stresses act on the system. The incorporation of elements of variable stiffness to structural systems would therefore be beneficial, since it would make it possible to increase the versatility of said structural systems since it is possible to vary their stiffness, depending on the frequencies at which the stresses act.
Del mismo modo, el uso de articulaciones de rigidez regulable en robots haría que dicho robot, al igual que sucede con el ser humano, fuese capaz de mejorar las operaciones de posicionamiento y agarre, reduciendo el efecto que tienen sobre su estructura las perturbaciones en las solicitaciones externas.In the same way, the use of joints with adjustable stiffness in robots would make said robot, as is the case with humans, to be able to improve positioning and gripping operations, reducing the effect that disturbances in the structures have on its structure. external solicitations.
Por otro lado, una articulación de rigidez regulable en un robot que trabaja en entornos colaborativos, capaz de reducir su rigidez antes de que uno de los elementos que conecta impacte con un trabajador, permitiría reducir la severidad del impacto y por tanto sus consecuencias. En condiciones normales de operación, la articulación tendrá una rigidez mayor, de modo que sea posible la transmisión efectiva de esfuerzos y pares mecánicos entre los elementos que conecta, lo que permitiría que el robot desempeñe su labor de forma adecuada.On the other hand, an adjustable stiffness joint in a robot that works in collaborative environments, capable of reducing its stiffness before one of the connecting elements hits a worker, would reduce the severity of the impact and therefore its consequences. Under normal operating conditions, the joint will have a greater stiffness, so that the effective transmission of forces and mechanical torques between the elements it connects is possible, which would allow the robot to perform its work properly.
Otra aplicación que se beneficia de conexiones con rigidez regulable son los exoesqueletos robóticos. Diferentes estudios biomecánicos sobre la marcha humana han demostrado que las articulaciones de cadera, rodilla y tobillo permiten un giro diferente ante un mismo par en función de la posición de la pierna, la pantorrilla y el pie. Esta rigidez que varía en función de la posición de la articulación también permite regular la energía almacenada en los músculos responsables de la marcha, de modo que la energía sobrante en algunas fases es recuperada en otras. Lo mismo ocurre con las articulaciones de hombro, codo y muñeca o cuello. La ejecución de la marcha o de otros movimientos o secuencias de movimientos corporales por medio de exoesqueletos sería, consecuentemente, más realista, ergonómica y eficiente si se utilizan conexiones de rigidez variable entre los diferentes elementos del exoesqueleto.Another application that benefits from adjustable stiffness connections is robotic exoskeletons. Different biomechanical studies on human gait have shown that the hip, knee and ankle joints allow a different turn in the same pair depending on the position of the leg, calf and foot. This stiffness, which varies depending on the position of the joint, also makes it possible to regulate the energy stored in the muscles responsible for walking, so that the excess energy in some phases is recovered in others. The same goes for the shoulder, elbow, and wrist or neck joints. The execution of gait or other movements or sequences of body movements by means of exoskeletons would consequently be more realistic, ergonomic and efficient if connections of varying stiffness are used between the different elements of the exoskeleton.
Debido a la citada no linealidad de las articulaciones, en máquinas de entrenamiento, gimnasio o rehabilitación también es necesario el ajuste de la rigidez del sistema sobre el que el sujeto objeto del entrenamiento debe realizar un esfuerzo, por lo que la incorporación de elementos de rigidez variable, sería beneficiosa.Due to the aforementioned non-linearity of the joints, in training, gym or rehabilitation machines it is also necessary to adjust the rigidity of the system on which the subject to be trained must make an effort, so the incorporation of rigidity elements variable, it would be beneficial.
La posibilidad de variar la rigidez a voluntad, también es de utilidad en numerosas maquinas diferentes, por ejemplo, en máquinas provistas de varios árboles de transmisión conectados entre sí mediante acoplamientos. En condiciones nominales de trabajo, es necesaria una rigidez elevada en el acoplamiento, de modo que sea posible la transmisión eficiente de par entre los árboles que conecta, absorbiendo de forma simultánea desalineaciones radiales y angulares entre éstos. Sin embargo, en caso de una elevación brusca del par resistente, es beneficiosa una reducción substancial de la rigidez, de modo que se protejan de sobrecargas mecánicas los elementos conectados, gracias a una mayor deflexión angular en el acoplamiento. Esta limitación de esfuerzos es utilizable también en, por ejemplo, llaves dinamométricas, de forma que es posible ajustar el par de apriete obtenible con la llave.The possibility of varying the stiffness at will, is also useful in many different machines, for example, in machines provided with several transmission shafts connected to each other by means of couplings. Under nominal working conditions, a high rigidity in the coupling is necessary, so that efficient transmission of torque between the connecting shafts is possible, simultaneously absorbing radial and angular misalignments between them. However, in the event of a sudden rise in the resisting torque, a substantial reduction in stiffness is beneficial, so that the connected elements are protected from mechanical overloads, thanks to a greater angular deflection in the coupling. This limitation of efforts can also be used in, for example, torque wrenches, so that it is possible to adjust the tightening torque obtainable with the wrench.
Los vehículos, máquinas y estructuras también pueden beneficiarse de una suspensión con rigidez regulable. Por ejemplo, en vehículos automóviles y ferroviarios es necesaria una suspensión con rigidez elevada a altas velocidades, de modo que sea posible cumplir los requerimientos de estabilidad dinámica. Sin embargo, a bajas velocidades, -por ejemplo, en tramos con curvas de radio de curvatura pequeño, o con baches- interesa que la rigidez de la suspensión sea menor, de modo que pueda limitarse la transmisión de esfuerzos y aceleraciones al conductor o pasajeros, así como a la estructura suspendida. Características similares se requieren en las barras de torsión de vehículos automóviles y ferrocarril. Del mismo modo, la regulación de la rigidez de la suspensión de una máquina puede reducir notablemente la transmisión de vibraciones hacia su soporte si la rigidez de dicha suspensión se modifica ante modificaciones de la frecuencia de las fuerzas generadas en la máquina. De forma similar, es posible aislar una estructura de excitaciones procedentes de su soporte modificando la rigidez de la suspensión que une la estructura con el soporte, de modo que las frecuencias naturales de la estructura queden lejos de las frecuencias de la excitación a través del soporte.Vehicles, machines and structures can also benefit from a suspension with adjustable stiffness. For example, in motor vehicles and railway vehicles a suspension with high stiffness is necessary at high speeds, so that it is possible to meet the requirements of dynamic stability. However, at low speeds, -for example, in sections with curves with a small radius of curvature, or with bumps- it is important that the stiffness of the suspension is lower, so that the transmission of efforts and accelerations to the driver or passengers can be limited. , as well as the suspended structure. Similar characteristics are required in automobile and rail vehicle torsion bars. Similarly, regulating the rigidity of the suspension of a machine can significantly reduce the transmission of vibrations towards its support if the rigidity of said Suspension is modified by changes in the frequency of the forces generated in the machine. Similarly, it is possible to isolate a structure from excitations from its support by modifying the stiffness of the suspension that joins the structure to the support, so that the natural frequencies of the structure are far from the frequencies of the excitation through the support. .
Actualmente se conocen diferentes métodos para obtener una rigidez variable. Por ejemplo, la solicitud de patente W02014/001585 presenta un sistema basado en la precarga de un resorte rectilíneo. No obstante, la rigidez de la conexión es muy elevada hasta el valor de la precarga del resorte. Si la fuerza ejercida supera dicho valor, la rigidez de la conexión desciende hasta la del resorte.Different methods are currently known to obtain a variable stiffness. For example, patent application W02014 / 001585 presents a system based on the preload of a rectilinear spring. However, the stiffness of the connection is very high up to the value of the spring preload. If the force exerted exceeds this value, the stiffness of the connection drops to that of the spring.
Las solicitudes US2016082603 y TW201350095 presentan una conexión de rigidez variable a torsión, consiguiéndose la rigidez variable mediante la variación de la longitud libre de una viga sobre cuyo centro se aplica un par torsor.Applications US2016082603 and TW201350095 present a connection of variable torsional stiffness, the variable stiffness being achieved by varying the free length of a beam on the center of which a torque is applied.
La solicitud US2015123417 obtiene una junta con rigidez variable modificando la forma de una viga por medio del pandeo de ésta. La solicitud US9366323 obtiene una rigidez variable al modificar la longitud útil de un elemento elástico. Las solicitudes W02013025510 y KR20160033340 obtienen una conexión de rigidez a torsión variable al modificar el brazo de la palanca sobre la que se actúan unos resortes. La solicitud EP1731336A1 presenta un elemento con rigidez a torsión variable por medio de la variación de la inercia a flexión de una viga, al modificar sus ejes de inercia respecto al plano de torsión. La solicitud W02014033603A1 presenta un sistema de rigidez regulable mediante la precarga de dos sistemas elásticos no lineales, compuestos a su vez por resortes con comportamiento lineal.Application US2015123417 obtains a joint with variable stiffness by modifying the shape of a beam by means of buckling it. The application US9366323 obtains a variable stiffness by modifying the useful length of an elastic element. Applications W02013025510 and KR20160033340 obtain a variable torsional stiffness connection by modifying the lever arm on which springs are actuated. The application EP1731336A1 presents an element with variable torsional stiffness through the variation of the bending inertia of a beam, by modifying its axes of inertia with respect to the torsion plane. The application W02014033603A1 presents an adjustable stiffness system by preloading two non-linear elastic systems, in turn composed of springs with linear behavior.
Algunos de los dispositivos de rigidez variable ya conocidos, citados anteriormente, consiguen una rigidez torsional mediante la utilización de elementos elásticos rectilíneos. No obstante, en dichos dispositivos es necesario emplear medios para la conversión de un movimiento lineal en un movimiento de giro. Dichos medios implican un aumento de peso, tamaño y coste.Some of the known variable stiffness devices mentioned above achieve torsional stiffness by using rectilinear elastic elements. However, in such devices it is necessary to employ means for converting a linear movement into a rotational movement. Said means involve an increase in weight, size and cost.
0tros de los dispositivos de rigidez variable citados, consiguen una rigidez variable empleando elementos elásticos con rigidez constante, lo cual también implica la necesidad de medios para modificar la rigidez aparente de dichos resortes de rigidez constante, como cables, poleas, tensores, levas, palancas de brazo variable, etc., o una combinación de éstos. Esto también implica peso, tamaño y coste adicionales. El aumento de peso que conlleva la utilización de estos sistemas periféricos puede implicar también un empeoramiento de la respuesta dinámica del sistema y tiempo de reacción. El aumento de tamaño es especialmente problemático en sistemas como robots, exoesqueletos o automóviles. Por otra parte, el incremento en el número de componentes del sistema reduce su fiabilidad y eleva el coste de mantenimiento.Other of the aforementioned variable stiffness devices achieve variable stiffness using elastic elements with constant stiffness, which also implies the need for means to modify the apparent stiffness of said constant stiffness springs, such as cables, pulleys, tensioners, cams, levers. variable arm, etc., or a combination of these. This also means additional weight, size and cost. The weight gain associated with the use of these peripheral systems may also imply a worsening of the dynamic response of the system and reaction time. The increase in size is especially problematic in systems such as robots, exoskeletons or automobiles. On the other hand, the increase in the number of components of the system reduces its reliability and raises the cost of maintenance.
Descripción de la invenciónDescription of the invention
La presente invención pretende subsanar o reducir los problemas y desventajas de la técnica anterior, mencionados anteriormente.The present invention seeks to remedy or reduce the problems and disadvantages of the prior art, mentioned above.
A tal fin, un primer objeto de la presente invención se refiere a un dispositivo elástico con rigidez variable, que comprende:To this end, a first object of the present invention refers to an elastic device with variable stiffness, comprising:
- Un primer grupo de resortes de torsión formado por al menos un primer resorte de torsión con forma espiral, que define una pluralidad de espiras, estando dicho primer resorte unido por uno de sus extremos a un árbol de rotación, estando su extremo opuesto configurado para acoplarse y desacoplarse selectivamente a una primera carcasa;- A first group of torsion springs formed by at least one first spiral-shaped torsion spring, which defines a plurality of turns, said first spring being attached at one of its ends to a rotation shaft, its opposite end being configured to selectively engage and disengage a first housing;
- Un segundo grupo de resortes de torsión formado por al menos un segundo resorte de torsión con forma espiral, que define una pluralidad de espiras, estando dicho segundo resorte unido por uno de sus extremos al árbol de rotación, estando su extremo opuesto configurado para acoplarse y desacoplarse selectivamente a una segunda carcasa;- A second group of torsion springs formed by at least one second spiral-shaped torsion spring, which defines a plurality of turns, said second spring being attached at one of its ends to the rotation shaft, its opposite end being configured to engage and selectively uncoupled to a second housing;
caracterizado por que está provisto de:characterized in that it is provided with:
- al menos un medio para la fijación de la posición relativa de una de las carcasas respecto a la otra carcasa;- at least one means for fixing the relative position of one of the casings with respect to the other casing;
- al menos un medio de acoplamiento configurado para acoplar y desacoplar selectivamente al menos uno de los resortes de torsión del primer grupo a la primera carcasa, y/o configurado para acoplar y desacoplar selectivamente al menos uno de los resortes del segundo grupo a la segunda carcasa, de tal forma que los resortes acoplados a las carcasas contribuyen a la rigidez del dispositivo elástico y los resortes desacoplados no contribuyen a la rigidez del dispositivo elástico. - at least one coupling means configured to selectively couple and uncouple at least one of the torsion springs of the first group to the first casing, and / or configured to selectively couple and uncouple at least one of the springs of the second group to the second casing, such that the springs attached to the housings contribute to the stiffness of the elastic device and the uncoupled springs do not contribute to the stiffness of the elastic device.
Como se explicará detalladamente más adelante, en la descripción de los ejemplos de posibles realizaciones de la presente invención, el medio de acoplamiento (o alternativamente los medios de acoplamiento) entre resortes y carcasas de los que está provisto el dispositivo elástico según la invención, permiten variar a voluntad la rigidez a torsión de dicho dispositivo, es decir, la relación entre el par ejercido y el giro obtenido entre el árbol y las carcasas. Así, si en un determinado instante se desea aumentar la rigidez a torsión del dispositivo elástico basta con acoplar a la primera carcasa al menos un resorte adicional del primer grupo de resortes y/o acoplar a la segunda carcasa al menos un resorte adicional del segundo grupo de resortes, aprovechando para ello uno o más medios de acoplamiento.As will be explained in detail later, in the description of the examples of possible embodiments of the present invention, the coupling means (or alternatively the coupling means) between springs and housings with which the elastic device according to the invention is provided, allow vary at will the torsional stiffness of said device, that is, the relationship between the torque exerted and the rotation obtained between the shaft and the housings. Thus, if at a certain moment it is desired to increase the torsional stiffness of the elastic device, it is enough to couple at least one additional spring from the first group of springs to the first casing and / or to couple at least one additional spring from the second group to the second casing. springs, taking advantage of one or more coupling means.
En una realización de la invención, los resortes del primer grupo de resortes de torsión y los resortes del segundo grupo de resortes de torsión están montados en configuración antagonista entre sí, es decir, están dispuestos de modo que el primer grupo de resortes discurre en sentido contrario al segundo grupo de resortes (en otras palabras, las espiras de los resortes del primer grupo discurren en sentido contrario a las espiras de los resortes del segundo grupo).In one embodiment of the invention, the springs of the first group of torsion springs and the springs of the second group of torsion springs are mounted antagonistically to each other, that is, they are arranged so that the first group of springs runs in the opposite direction. contrary to the second group of springs (in other words, the turns of the springs of the first group run in the opposite direction to the turns of the springs of the second group).
En dicha realización de la invención, el dispositivo elástico de rigidez variable está provisto de al menos un medio de acoplamiento entre resortes y carcasas en forma de resalte que, sobresale de una superficie interior de la primera carcasa estando, además, al menos uno de los resortes de torsión del primer grupo de resortes de torsión provisto de un rebaje delimitado por dos cantos escalonados, estando dichos cantos escalonados configurados para acoplarse por contacto al resalte al alcanzarse un ángulo de giro predeterminado de la primera carcasa con relación al árbol de rotación y para desacoplarse de dicho resalte, al perderse dicho contacto al girar nuevamente la primera carcasa con relación al árbol de rotación.In said embodiment of the invention, the elastic device of variable stiffness is provided with at least one coupling means between springs and housings in the form of a projection that protrudes from an inner surface of the first housing being, in addition, at least one of the torsion springs of the first group of torsion springs provided with a recess delimited by two staggered edges, said staggered edges being configured to engage by contact with the projection upon reaching a predetermined angle of rotation of the first casing relative to the rotation shaft and to disengaging from said projection, upon loss of said contact when the first casing rotates again relative to the rotation shaft.
La rigidez del dispositivo elástico se determina, pues, mediante la fijación de la posición relativa de una de las carcasas con respecto a la otra carcasa, girando una en sentido contrario a la otra el ángulo necesario, e impidiendo a continuación el movimiento relativo entre ellas. La determinación de las anchuras de los rebajes de cada uno de los resortes de cada grupo permite que, a diferentes posiciones relativas de una carcasa respecto a la otra, estén acoplados a cada carcasa un número mayor o menor de resortes. Esta configuración permite conseguir, además, rigidez nula si la posición relativa de una carcasa respecto a la otra es tal que ninguno de los resortes está acoplado a su carcasa correspondiente. The stiffness of the elastic device is thus determined by fixing the relative position of one of the casings with respect to the other casing, rotating one in the opposite direction to the other by the required angle, and then preventing relative movement between them. . Determining the widths of the recesses of each of the springs in each group allows a greater or lesser number of springs to be coupled to each casing at different relative positions of one casing with respect to the other. This configuration also makes it possible to achieve zero stiffness if the relative position of one casing with respect to the other is such that none of the springs is coupled to its corresponding casing.
En otra realización de la invención, el dispositivo elástico de rigidez variable está provisto de al menos un medio de acoplamiento entre resortes y carcasas en forma de resalte que sobresale de una superficie interior de la segunda carcasa estando, además, al menos uno de los resortes de torsión del segundo grupo provisto de un rebaje delimitado por dos cantos escalonados, estando dichos cantos escalonados configurados para acoplarse por contacto al resalte al alcanzarse un ángulo de giro predeterminado giro de la segunda carcasa con relación al árbol de rotación y para desacoplarse de dicho resalte al girar nuevamente la segunda carcasa con relación al árbol de rotación.In another embodiment of the invention, the elastic device of variable stiffness is provided with at least one coupling means between springs and housings in the form of a projection that protrudes from an inner surface of the second housing being, in addition, at least one of the springs of torsion of the second group provided with a recess delimited by two staggered edges, said staggered edges being configured to engage by contact with the projection upon reaching a predetermined angle of rotation of the second casing relative to the rotation shaft and to disengage from said projection as the second housing rotates again relative to the rotation shaft.
En una segunda realización de la presente invención, las dos carcasas están unidas rígida y permanentemente y el perímetro exterior de al menos un resorte del primer grupo y/o de al menos un resorte del segundo grupo de resortes de torsión está provisto de un dentado, estando provistos además al menos unos medios de acoplamiento en forma de diente, configurados para extenderse y retraerse selectivamente mediante un actuador -por ejemplo, electromagnético-, de tal modo que cuando el medio de acoplamiento en forma de diente se extiende, engrana con el dentado del perímetro exterior del resorte, acoplando dicho resorte a la carcasa correspondiente y cuando el medio de acoplamiento en forma de diente se retrae, se desengrana del dentado del resorte desacoplando dicho resorte de la carcasa correspondiente.In a second embodiment of the present invention, the two housings are rigidly and permanently attached and the outer perimeter of at least one spring of the first group and / or of at least one spring of the second group of torsion springs is provided with a toothing, at least one tooth-shaped coupling means being further provided, configured to selectively extend and retract by means of an actuator - for example, electromagnetic-, such that when the tooth-shaped coupling means extends, it meshes with the teeth of the outer perimeter of the spring, coupling said spring to the corresponding housing and when the tooth-shaped coupling means is retracted, it disengages from the toothing of the spring disengaging said spring from the corresponding housing.
Los resortes del primer y/o del segundo grupo pueden estar hechos a partir un material compuesto, o por medio de un proceso de fabricación aditiva, lo que también permite que, de ser deseado, dichos resortes tengan una rigidez variable a lo largo de su longitud.The springs of the first and / or second group can be made from a composite material, or by means of an additive manufacturing process, which also allows said springs to have a variable stiffness along their length if desired. length.
Asimismo, los resortes del primer grupo y los resortes del segundo grupo están preferiblemente dotados de un chavetero destinado a alojar una chaveta provista en el árbol de rotación.Likewise, the springs of the first group and the springs of the second group are preferably provided with a keyway intended to house a key provided in the rotation shaft.
El dispositivo elástico con rigidez variable, según cualquiera de las realizaciones descritas anteriormente, puede estar hecho, opcionalmente, mediante un procedimiento de fabricación aditiva, tal como impresión tridimensional.The elastic device with variable stiffness, according to any of the embodiments described above, can optionally be made by an additive manufacturing process, such as three-dimensional printing.
Un segundo objeto de la presente invención se refiere a un actuador con rigidez variable de utilidad, sin carácter limitativo, en robots, exoesqueletos, máquinas de musculación, máquinas de rehabilitación o suspensiones de vehículos y máquinas. A second object of the present invention refers to an actuator with variable stiffness useful, without limitation, in robots, exoskeletons, weight training machines, rehabilitation machines or suspensions of vehicles and machines.
Dicho actuador con rigidez variable comprende al menos un dispositivo elástico con rigidez variable, según cualquiera de las realizaciones descritas anteriormente, y está configurado para conectar y permitir el movimiento relativo, venciendo solicitaciones mecánicas, entre dos elementos de una cadena cinemática, estando uno de dichos elementos de la cadena cinemática conectado al árbol y el otro elemento conectado a al menos una de las carcasas.Said actuator with variable stiffness comprises at least one elastic device with variable stiffness, according to any of the embodiments described above, and is configured to connect and allow relative movement, overcoming mechanical stresses, between two elements of a kinematic chain, one of said being elements of the kinematic chain connected to the shaft and the other element connected to at least one of the housings.
Una primera realización del actuador se basa en el uso de la primera realización del dispositivo elástico, en el que los medios para la fijación de la posición relativa entre las carcasas (para modificar la rigidez del elemento elástico) y entre éstas y el primer miembro de la cadena cinemática (para conseguir el movimiento relativo entre ambos miembros de la cadena cinemática) son, por ejemplo, dos motores eléctricos. En una primera configuración de esta primera realización, el estator de cada uno de los dos motores eléctricos está unido al primer elemento de la cadena cinemática, mientras que el rotor de cada uno de los dos motores transmite el movimiento de giro a las dos carcasas a través de los dentados periféricos de éstas. En una segunda configuración de esta primera realización, uno de los motores eléctricos está unido por su estator a una de las carcasas, transmitiendo su rotor el movimiento de giro a la otra carcasa a través del dentado periférico de ésta; y el otro motor está unido por su estator al primer miembro de la cadena cinemática y transmite mediante su rotor el movimiento de giro a una de las carcasas a través del dentado periférico de ésta.A first embodiment of the actuator is based on the use of the first embodiment of the elastic device, in which the means for fixing the relative position between the shells (to modify the stiffness of the elastic element) and between them and the first member of the kinematic chain (to achieve the relative movement between both members of the kinematic chain) are, for example, two electric motors. In a first configuration of this first embodiment, the stator of each of the two electric motors is connected to the first element of the kinematic chain, while the rotor of each of the two motors transmits the rotational movement to the two housings at through the peripheral teeth of these. In a second configuration of this first embodiment, one of the electric motors is connected by its stator to one of the casings, its rotor transmitting the rotational movement to the other casing through its peripheral teeth; and the other motor is connected by its stator to the first member of the kinematic chain and transmits the rotational movement to one of the casings through its rotor through its peripheral teeth.
Una segunda realización del actuador se basa en el uso de la segunda realización del dispositivo elástico, en el que el medio para modificar la posición entre la primera y la segunda carcasas, rígida y permanentemente unidas, y el primer miembro de la cadena cinemática son, por ejemplo, un motor eléctrico cuyo estator está unido al primer miembro de la cadena cinemática, y cuyo rotor transmite el movimiento de giro a las carcasas a través del dentado periférico de éstas.A second embodiment of the actuator is based on the use of the second embodiment of the elastic device, in which the means for modifying the position between the first and second, rigidly and permanently attached, shells and the first member of the kinematic chain are, for example, an electric motor whose stator is connected to the first member of the kinematic chain, and whose rotor transmits the rotational movement to the housings through their peripheral teeth.
Un tercer aspecto de la presente invención se refiere a un acoplamiento con rigidez variable de utilidad, sin carácter limitativo, en máquinas de rehabilitación, máquinas de musculación, sistemas de suspensión de vehículos y máquinas, o acoplamientos entre árboles de transmisión. Dicho acoplamiento comprende al menos un dispositivo elástico con rigidez variable, según cualquiera de las realizaciones descritas anteriormente, y está configurado para conectar y permitir el movimiento relativo, venciendo solicitaciones mecánicas, entre dos elementos de una cadena cinemática, estando uno de dichos elementos de la cadena cinemática conectado al árbol y el otro elemento conectado a, al menos, una de las carcasas. A third aspect of the present invention refers to a coupling with variable stiffness useful, without limitation, in rehabilitation machines, weight training machines, vehicle and machine suspension systems, or couplings between transmission shafts. Said coupling comprises at least one elastic device with variable stiffness, according to any of the embodiments described above, and is configured to connect and allow relative movement, overcoming mechanical stresses, between two elements of a kinematic chain, one of said elements being of the kinematic chain connected to the shaft and the other element connected to at least one of the housings.
Una primera realización del acoplamiento de rigidez variable se basa en el uso de la primera realización del dispositivo elástico, en la que los medios para fijar la posición relativa entre la primera y segunda carcasas son, por ejemplo, un motor eléctrico, cuyo estator está unido a una de las carcasas, transmitiendo su rotor el movimiento de giro a la otra carcasa a través del dentado periférico de ésta. Dispone además de medios para fijar la posición de las carcasas respecto al primer miembro de la cadena cinemática como, por ejemplo, ruedas libres reversibles y bloqueables, permitiendo de este modo el giro en un sentido determinado y seleccionable, pero impidiéndolo en el contrario, o impidiendo el giro en cualquier sentido.A first embodiment of the variable stiffness coupling is based on the use of the first embodiment of the elastic device, in which the means for fixing the relative position between the first and second housings are, for example, an electric motor, the stator of which is attached to one of the casings, its rotor transmitting the rotational movement to the other casing through its peripheral teeth. It also has means to fix the position of the casings with respect to the first member of the kinematic chain, such as, for example, reversible and lockable freewheels, thus allowing rotation in a specific and selectable direction, but preventing it in the opposite direction, or preventing rotation in any direction.
Una segunda realización del acoplamiento de rigidez variable se basa en el uso de la primera realización del dispositivo elástico, en la que los medios para fijar la posición relativa entre la primera y segunda carcasas son manuales. Por ejemplo, se puede utilizar un cerrojo que, acoplado entre los dentados periféricos de cada carcasa, impide su movimiento relativo. Dispone además de medios para fijar la posición de las carcasas respecto al primer miembro de la cadena cinemática como, por ejemplo, ruedas libres reversibles y bloqueables, permitiendo de este modo el giro en un sentido determinado y seleccionable, pero impidiéndolo en el contrario, o impidiendo el giro en cualquier sentido.A second embodiment of the variable stiffness coupling is based on the use of the first embodiment of the elastic device, in which the means for fixing the relative position between the first and second shells are manual. For example, a bolt can be used which, coupled between the peripheral teeth of each housing, prevents their relative movement. It also has means to fix the position of the casings with respect to the first member of the kinematic chain, such as, for example, reversible and lockable freewheels, thus allowing rotation in a specific and selectable direction, but preventing it in the opposite direction, or preventing rotation in any direction.
Una tercera realización del acoplamiento de rigidez variable se basa en el uso de la segunda realización del dispositivo elástico, en la que los medios para fijar la posición relativa entre la primera y segunda carcasas y el primer miembro de la cadena cinemática son, por ejemplo, ruedas libres reversibles y bloqueables, permitiendo de este modo el giro en un sentido determinado y seleccionable, pero impidiéndolo en el contrario, o impidiendo el giro en cualquier sentido.A third embodiment of the variable stiffness coupling is based on the use of the second embodiment of the elastic device, in which the means for fixing the relative position between the first and second casings and the first member of the kinematic chain are, for example, Reversible and lockable freewheels, thus allowing rotation in a specific and selectable direction, but preventing it in the opposite direction, or preventing rotation in any direction.
Un cuarto aspecto de la presente invención se refiere al uso de al menos un actuador de rigidez variable, según cualquiera de las realizaciones anteriormente descritas, en una suspensión de un vehículo o una máquina, una barra de torsión, un exoesqueleto, un robot, una llave dinamométrica, una máquina de musculación o una máquina de rehabilitación.A fourth aspect of the present invention refers to the use of at least one variable stiffness actuator, according to any of the previously described embodiments, in a suspension of a vehicle or a machine, a torsion bar, an exoskeleton, a robot, a torque wrench, a strength machine, or a rehab machine.
Por último, un quinto aspecto de la presente invención se refiere al uso de al menos un acoplamiento de rigidez variable, según cualquiera de las realizaciones anteriormente descritas, en una suspensión de un vehículo o una máquina, una barra de torsión, un exoesqueleto, un robot, una llave dinamométrica, una máquina de musculación o una máquina de rehabilitación. Finally, a fifth aspect of the present invention refers to the use of at least one variable stiffness coupling, according to any of the previously described embodiments, in a suspension of a vehicle or a machine, a torsion bar, an exoskeleton, a robot, torque wrench, weight training machine or rehabilitation machine.
Descripción de las figurasDescription of the figures
Para complementar la presente descripción y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características técnicas de la invención, de acuerdo con ejemplos preferentes de realizaciones prácticas de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the present description and in order to help a better understanding of the technical characteristics of the invention, according to preferred examples of practical embodiments thereof, a set of drawings is attached as an integral part of said description where, For illustrative and non-limiting purposes, the following has been represented:
Fig. 1A.- Es una vista en perspectiva de una primera realización de un dispositivo elástico de rigidez variable según la presente invención, debidamente montado;Fig. 1A.- Is a perspective view of a first embodiment of an elastic device with variable stiffness according to the present invention, duly assembled;
Fig. 1B.- Es una vista en perspectiva, parcialmente en despiece ordenado, de un dispositivo elástico de rigidez variable similar al de la Fig. 1A;Fig. 1B.- Is a perspective view, partially exploded, of an elastic device with variable stiffness similar to that of Fig. 1A;
Fig. 1C Es una vista en despiece ordenado del dispositivo elástico mostrado en la 1B;Fig. 1C is an exploded view of the elastic device shown in 1B;
Fig. 2A.- Es una vista en perspectiva de una segunda realización de un dispositivo elástico de rigidez variable según la presente invención, debidamente montado;Fig. 2A.- Is a perspective view of a second embodiment of an elastic device with variable stiffness according to the present invention, duly assembled;
Fig. 2B.- Es una vista en perspectiva, en despiece ordenado, del dispositivo elástico de rigidez variable de la Fig. 2A;Fig. 2B.- Is an exploded perspective view of the elastic device of variable stiffness of Fig. 2A;
Fig. 3A.- Es una vista en perspectiva de una primera realización de un actuador de rigidez variable según la presente invención;Fig. 3A.- Is a perspective view of a first embodiment of a variable stiffness actuator according to the present invention;
Fig. 3B.- Es una vista en perspectiva de una segunda realización de un actuador de rigidez variable según la presente invención;Fig. 3B.- Is a perspective view of a second embodiment of a variable stiffness actuator according to the present invention;
Fig. 3C.- Es una vista en perspectiva de una primera realización de un acoplamiento de rigidez variable según la presente invención;Fig. 3C.- Is a perspective view of a first embodiment of a variable stiffness coupling according to the present invention;
Fig. 3D.- Es una vista en perspectiva de una tercera realización de un acoplamiento de rigidez variable según la presente invención; Fig. 3D.- It is a perspective view of a third embodiment of a variable stiffness coupling according to the present invention;
Referencias numéricas de las figurasNumerical references of the figures
(10) Dispositivo elástico de la invención;(10) Elastic device of the invention;
(20a) Resortes del primer grupo de resortes en espiral;(20a) Springs of the first group of coil springs;
(20b) Resortes del segundo grupo de resortes en espiral;(20b) Springs of the second group of coil springs;
(21) Árbol de rotación;(21) Rotation tree;
(22a) Primera carcasa;(22a) First shell;
(22b) Segunda carcasa;(22b) Second housing;
(22a') Tapa de la primera carcasa;(22a ') Cover of the first casing;
(22b') Tapa de la segunda carcasa;(22b ') Cover of the second casing;
(23) Chaveta;(23) Key;
(24a) Medio de acoplamiento en forma de resalte;(24a) Projection-shaped coupling means;
(24b) Medio de acoplamiento en forma de diente;(24b) Tooth-shaped coupling means;
(25) Chavetero provisto en los resortes (del primer y segundo grupos);(25) Keyway provided in the springs (of the first and second groups);
(26) Rebaje de los resortes (del primer y segundo grupos);(26) Lowering of the springs (of the first and second groups);
(27) Actuador;(27) Actuator;
(28) Dentado de los resortes (del primer y segundo grupos);(28) Toothing of the springs (of the first and second groups);
(29) Arandela;(29) Washer;
(30) Canto escalonados de los rebajes;(30) Staggered edge of the recesses;
(31) Medio de fijación de la posición relativa de una carcasa respecto a la otra;(31) Means for fixing the relative position of one casing with respect to the other;
(71) Elemento de sujeción;(71) Fastening element;
(73) Motor de giro;(73) Swing motor;
(74) Soporte fijo;(74) Fixed support;
(100) Actuador de rigidez variable;(100) Variable stiffness actuator;
(200) Acoplamiento de rigidez variable; y(200) Variable stiffness coupling; Y
(221) Coronas dentadas de las carcasas.(221) Toothed crowns of the housings.
Descripción de una forma de realización de la invenciónDescription of an embodiment of the invention
Seguidamente se proporciona, con ayuda de las Figuras 1A a 3D adjuntas, una descripción en detalle de dos ejemplos de realización preferentes de la presente invención.A detailed description of two preferred embodiments of the present invention is provided below, with the aid of the attached Figures 1A to 3D.
A lo largo de la presente descripción, así como en las figuras adjuntas, los elementos con funciones iguales o similares se designarán con las mismas referencias numéricas. Throughout the present description, as well as in the attached figures, elements with the same or similar functions will be designated with the same reference numerals.
La Figura 1A, muestra una primera realización de un dispositivo elástico 10 con rigidez variable según la presente invención. Las Figuras 1B y 1C muestran un segundo dispositivo elástico 10 muy similar al dispositivo elástico 10 de la Figura 1A y que sólo se diferencia de éste en que, en esta segunda realización, las coronas dentadas 221 ocupan toda la superficie lateral de las carcasas 22a y 22b, y no sólo una parte de ella.Figure 1A shows a first embodiment of an elastic device 10 with variable stiffness according to the present invention. Figures 1B and 1C show a second elastic device 10 very similar to the elastic device 10 of Figure 1A and that it only differs from it in that, in this second embodiment, the toothed rings 221 occupy the entire lateral surface of the housings 22a and 22b, and not just a part of it.
Tal y como puede apreciarse especialmente en la Fig. 1C, en estas realizaciones particulares de la invención el primer grupo de resortes de torsión está formado por tres resortes 20a de torsión diferentes, con forma espiral, mientras que el segundo grupo de resortes de torsión está formado por tres resortes 20b de torsión diferentes, también con forma espiral.As can be seen especially in Fig. 1C, in these particular embodiments of the invention the first group of torsion springs is formed by three different torsion springs 20a, with a spiral shape, while the second group of torsion springs is formed by three different torsion springs 20b, also spiral-shaped.
Todos los resortes 20a y todos los resortes 20b están unidos a un mismo árbol de rotación 21.All the springs 20a and all the springs 20b are attached to the same rotation shaft 21.
Para facilitar la fijación solidaria de los resortes 20a y los resortes 20b al árbol 21, cada uno de dichos resortes 20a y los resortes 20b tiene un agujero central a través del cual se introduce en el árbol 21. Los resortes 20a y los resortes 20b están dotados, además, de un chavetero 25 destinado a alojar una chaveta 23 provista en el árbol 21.To facilitate the integral fixing of the springs 20a and the springs 20b to the shaft 21, each of said springs 20a and the springs 20b has a central hole through which it is inserted into the shaft 21. The springs 20a and the springs 20b are furthermore provided with a keyway 25 intended to house a key 23 provided in the shaft 21.
El dispositivo 10 está provisto asimismo de una primera carcasa 22a que rodea al primer grupo de resortes 20a de torsión y de una segunda carcasa 22b que rodea al segundo grupo de resortes 20b de torsión. Además, las carcasas 22a y 22b están provistas de un agujero central que permite posicionarlas respecto al árbol 21.The device 10 is also provided with a first housing 22a that surrounds the first group of torsion springs 20a and a second housing 22b that surrounds the second group of torsion springs 20b. Furthermore, the housings 22a and 22b are provided with a central hole that allows them to be positioned with respect to the shaft 21.
Asimismo, tal y como se muestra en la Fig. 1A está provisto un medio 31 para la fijación de la posición relativa de una de las carcasas 22a respecto a la otra carcasa 22b. En esta realización de la invención el medio 31 es una cuña o cerrojo manual que se inserta entre los dientes de las coronas dentadas 221 de las carcasas 22a y 22b.Also, as shown in Fig. 1A, means 31 are provided for fixing the relative position of one of the casings 22a with respect to the other casing 22b. In this embodiment of the invention the means 31 is a wedge or manual latch that is inserted between the teeth of the toothed rings 221 of the housings 22a and 22b.
No obstante, la presente invención también contempla expresamente la posibilidad de que dicho medio 31 forme parte de un motor eléctrico provisto de una transmisión mecánica, un sistema hidráulico, etc (como se muestra por ejemplo, en la Fig. 3A).However, the present invention also expressly contemplates the possibility that said means 31 forms part of an electric motor provided with a mechanical transmission, a hydraulic system, etc. (as shown for example, in Fig. 3A).
La superficie interior de la carcasa 22a y la superficie interior de la carcasa 22b están provistas de un medio de acoplamiento 24a en forma de resalte (aunque en las figuras 1B y 1C solo es visible el medio de acoplamiento 24a correspondiente a la carcasa 22a). Dichos medios de acoplamiento 24a están configurados para encajar con los cantos escalonados 30 que delimitan un rebaje 26 provisto en cada uno de los resortes 20a y en cada uno de los resortes 20b.The inner surface of the housing 22a and the inner surface of the housing 22b are provided with a projection-shaped coupling means 24a (although in Figures 1B and 1C only the coupling means 24a corresponding to the housing 22a) is visible. Said coupling means 24a are configured to engage with stepped edges 30 that delimit a recess 26 provided in each of the springs 20a and in each of the springs 20b.
De este modo, al girar la carcasa 22a y dependiendo del sentido del giro, de la anchura de cada resalte y de la magnitud de dicho giro, es posible acoplar a o desacoplar de la carcasa 22a cada uno de los resortes 20a. De forma similar, al girar la carcasa 22b y dependiendo del sentido del giro, de la anchura de cada resalte y de la magnitud de dicho giro, es posible acoplar a o desacoplar de dicha carcasa 22b cada uno de los resortes 20b.In this way, by rotating the housing 22a and depending on the direction of rotation, the width of each projection and the magnitude of said rotation, it is possible to couple to or uncouple from the housing 22a each of the springs 20a. Similarly, by rotating the housing 22b and depending on the direction of rotation, the width of each projection and the magnitude of said rotation, it is possible to couple to or uncouple from said housing 22b each of the springs 20b.
Esta configuración específica del dispositivo 10 elástico de la invención, descrita en los párrafos anteriores, permite variar selectivamente su rigidez a torsión, incluyendo rigidez nula, puesto que cualquier resorte 20a, 20b que esté acoplado a su respectiva carcasa 22a, 22b gracias a la posición relativa entre la carcasa y el árbol interior contribuirá a aumentar la rigidez del dispositivo, mientras que los resortes 20a, 20b que estén desacoplados de su respectiva carcasa 22a, 22b no afectarán a la rigidez, al no ejercer una resistencia a la torsión apreciable.This specific configuration of the elastic device 10 of the invention, described in the previous paragraphs, allows its torsional stiffness to be selectively varied, including zero stiffness, since any spring 20a, 20b that is coupled to its respective housing 22a, 22b thanks to the position The relative relationship between the casing and the inner shaft will contribute to increasing the rigidity of the device, while the springs 20a, 20b that are uncoupled from their respective casing 22a, 22b will not affect the rigidity, as they do not exert an appreciable resistance to torsion.
En las Figuras 2A y 2B se muestra una segunda realización de un dispositivo elástico 10 con rigidez variable según la presente invención.A second embodiment of an elastic device 10 with variable stiffness according to the present invention is shown in Figures 2A and 2B.
Como puede apreciarse en la Fig. 2B, en esta realización particular de la invención, las carcasas están unidas rígidamente. Además, el primer grupo de resortes de torsión está formado por un único resorte 20a de torsión, con forma espiral, mientras que el segundo grupo de resortes de torsión está formado está formado por un único resorte 20b de torsión, también con forma espiral. El resorte 20a y el resorte 20b están unidos a un mismo árbol de rotación 21.As can be seen in Fig. 2B, in this particular embodiment of the invention, the shells are rigidly attached. Furthermore, the first group of torsion springs is formed by a single torsion spring 20a, with a spiral shape, while the second group of torsion springs is formed by a single torsion spring 20b, also with a spiral shape. Spring 20a and spring 20b are attached to the same rotation shaft 21.
Al igual que en la realización anterior, descrita con relación a las figuras 1A-1C, para facilitar la fijación solidaria de los resortes 20a y 20b al árbol 21, cada uno de dichos resortes 20a y 20b tiene un agujero central a través del cual se introduce en el árbol 21, estando dotados además dichos resortes 20a y 20b, de un chavetero 25 destinado a alojar una chaveta 23 provista en el árbol 21. As in the previous embodiment, described in relation to Figures 1A-1C, to facilitate the integral fixing of the springs 20a and 20b to the shaft 21, each of said springs 20a and 20b has a central hole through which it is inserted into shaft 21, said springs 20a and 20b being also provided with a keyway 25 intended to house a key 23 provided in shaft 21.
Por otro lado, el perímetro exterior de los resortes 20a y 20b está provisto de un borde dentado 28. Asimismo, sobre la carcasa 22a están provistos dos actuadores 27, estando provistos otros dos actuadores 27 sobre la carcasa 22b. El número de actuadores dependerá del par a transmitir y de la resistencia del dentado 28 y los medios de acoplamiento 24b. Cada uno de dichos actuadores 27 está configurado para extender o retraer selectivamente un medio de acoplamiento 24b en forma de diente, de tal modo que cuando se extiende uno de dichos medios de acoplamiento 24b, dicho medio de acoplamiento 24b engrana con el borde dentado 28 del resorte 20a ó 20b, correspondiente, acoplando dicho resorte a la carcasa 22a, 22b correspondiente.On the other hand, the outer perimeter of the springs 20a and 20b is provided with a toothed edge 28. Also, two actuators 27 are provided on the housing 22a, two other actuators 27 being provided on the housing 22b. The number of actuators will depend on the torque to be transmitted and the resistance of the teeth 28 and the coupling means 24b. Each of said actuators 27 is configured to selectively extend or retract a tooth-shaped coupling means 24b, such that when one of said coupling means 24b is extended, said coupling means 24b engages with the toothed edge 28 of the corresponding spring 20a or 20b, coupling said spring to the corresponding housing 22a, 22b.
Asimismo, cuando se retrae uno de los medios de acoplamiento 24b en forma de diente, dicho medio de acoplamiento 24b se desengrana del borde dentado 28 del resorte desacoplando dicho resorte 20a ó 20b de la carcasa 22a, 22b correspondiente.Also, when one of the tooth-shaped coupling means 24b is retracted, said coupling means 24b disengages from the toothed edge 28 of the spring by disengaging said spring 20a or 20b from the corresponding housing 22a, 22b.
En esta realización particular de la invención, ilustrada en las Figuras 2Ay 2B, el dispositivo elástico 10 puede adoptar cuatro valores de rigidez a torsión diferentes, a saber:In this particular embodiment of the invention, illustrated in Figures 2A and 2B, the elastic device 10 can adopt four different torsional stiffness values, namely:
1) una rigidez esencialmente nula en el caso en el que, tanto el resorte 20a, como el resorte 20b, estén desacoplados;1) essentially zero stiffness in the case in which both spring 20a and spring 20b are disengaged;
2) una rigidez debida exclusivamente al resorte 20a cuando éste se acopla a la carcasa 22a, al haberse extendido los actuadores 24b provistos en la carcasa 22a y el resorte 20b esta desacoplado;2) a stiffness due exclusively to the spring 20a when it is coupled to the housing 22a, as the actuators 24b provided in the housing 22a have extended and the spring 20b is disengaged;
3) una rigidez debida exclusivamente al resorte 20b cuando éste se acopla a la carcasa 22b, al haberse extendido los actuadores 24b provistos en la carcasa 22b y el resorte 20a esta desacoplado; y3) a stiffness due exclusively to spring 20b when it is coupled to housing 22b, as the actuators 24b provided in housing 22b have extended and spring 20a is disengaged; Y
4) un valor máximo de la rigidez, que aparece cuando el resorte 20a está acoplado a la carcasa 22b y -simultáneamente- el resorte 20b está acoplado a la carcasa 22b.4) a maximum value of the stiffness, which appears when the spring 20a is coupled to the casing 22b and -simultaneously- the spring 20b is coupled to the casing 22b.
En esta realización particular de la invención cada una de las carcasas 22a, 22b está provista de una respectiva tapa 22a' y 22b' que incluye una arandela 29.La presente invención no está limitada, en modo alguno, a las realizaciones aquí divulgadas.In this particular embodiment of the invention each of the housings 22a, 22b is provided with a respective cover 22a 'and 22b' that includes a washer 29. The present invention is not limited, in any way, to the embodiments disclosed herein.
En la Figura 3A se muestra una primera realización de un actuador 100 de rigidez variable, que comprende un dispositivo elástico 10 de rigidez variable, similar al mostrado en la Fig. 1A.In Figure 3A a first embodiment of a variable stiffness actuator 100 is shown, comprising an elastic device 10 of variable stiffness, similar to that shown in Fig. 1A.
El dispositivo elástico 10 de rigidez variable está dispuesto entre dos elementos 71 de sujeción, perpendiculares a un soporte fijo horizontal 74 y unidos rígidamente al mismo.The elastic device 10 of variable stiffness is arranged between two clamping elements 71, perpendicular to a horizontal fixed support 74 and rigidly attached thereto.
En esta realización particular de la invención, los medios 31 para la fijación de la posición relativa entre las carcasas 22a, 22b (para modificar la rigidez del elemento elástico 10) y entre éstas y el primer miembro de la cadena cinemática (para conseguir el movimiento relativo entre ambos miembros de la cadena cinemática) son los rotores de dos motores eléctricos 73. En una primera configuración de esta primera realización, el estator de cada uno de los dos motores eléctricos 73 está unido al primer elemento de la cadena cinemática, mientras que el rotor 31 de cada uno de los dos motores 73 transmite el movimiento de giro a las dos carcasas 22a, 22b a través de los dentados 221 periféricos de éstas.In this particular embodiment of the invention, the means 31 for fixing the relative position between the casings 22a, 22b (to modify the rigidity of the elastic element 10) and between them and the first member of the kinematic chain (to achieve the movement relative between both members of the kinematic chain) are the rotors of two electric motors 73. In a first configuration of this first embodiment, the stator of each of the two electric motors 73 is connected to the first element of the kinematic chain, while the rotor 31 of each of the two motors 73 transmits the rotational movement to the two housings 22a, 22b through the peripheral teeth 221 of the latter.
El segundo elemento de la cadena cinemática está unido a su vez, al árbol 21. Para ello, el árbol 21 puede estar opcionalmente provisto, en al menos en uno de sus extremos, de un acoplamiento.The second element of the kinematic chain is in turn connected to the shaft 21. For this, the shaft 21 can optionally be provided, at least at one of its ends, with a coupling.
En la Figura 3B se muestra una segunda realización de un actuador 100 de rigidez variable que, en esta realización particular de la invención, comprende un dispositivo elástico 10 de rigidez variable similar al mostrado en las Fig. 2A y 2B. El actuador 100 conecta con rigidez variable dos elementos de una cadena cinemática (el primer miembro unido al soporte horizontal 74 y el segundo no mostrado en la figura), estando el segundo miembro de la cadena cinemática conectado al árbol 21 y estando el primer miembro de la cadena cinemática conectado al estator del motor eléctrico 73 . El rotor del motor eléctrico acciona el dentado periférico de las carcasas y permite, por tanto, la determinación de su posición relativa respecto al miembro 1 de la cadena cinemática. Si la transmisión entre el rotor del motor eléctrico y el dentado se realiza mediante un elemento que presente autorretención (por ejemplo, ciertos tipos de sinfín), es posible fijar la posición relativa de las carcasas con respecto al primer miembro de la cadena cinemática sin necesidad de suministrar energía al motor eléctrico.In Figure 3B a second embodiment of a variable stiffness actuator 100 is shown which, in this particular embodiment of the invention, comprises an elastic device 10 of variable stiffness similar to that shown in Figures 2A and 2B. The actuator 100 connects with variable rigidity two elements of a kinematic chain (the first member joined to the horizontal support 74 and the second not shown in the figure), the second member of the kinematic chain being connected to the shaft 21 and the first member being of the kinematic chain connected to the stator of the electric motor 73. The rotor of the electric motor drives the peripheral teeth of the housings and therefore allows the determination of their relative position with respect to the member 1 of the kinematic chain. If the transmission between the rotor of the electric motor and the teeth is carried out by means of a self-retaining element (for example, certain types of augers), it is possible to fix the relative position of the housings with respect to the first member of the kinematic chain without necessity to supply power to the electric motor.
El dispositivo elástico 10 de rigidez variable está provisto de actuadores 27. Cada uno de dichos actuadores 27 está configurado para extender o retraer selectivamente un medio de acoplamiento en forma de diente (no visible en la Fig. 3B), de tal modo que cuando se extiende uno de dichos dientes, éste engrana con un borde dentado de un resorte, acoplándolo a la carcasa 22a, 22b correspondiente. The elastic device 10 of variable stiffness is provided with actuators 27. Each of said actuators 27 is configured to selectively extend or retract a tooth-shaped coupling means (not visible in Fig. 3B), such that when it is extends one of said teeth, it meshes with a toothed edge of a spring, coupling it to the corresponding housing 22a, 22b.
Asimismo y al igual que en otras realizaciones, en esta realización particular del actuador 100 según la invención mostrada en la Figura 3B, el dispositivo elástico 10 de rigidez variable está dispuesto entre dos elementos 71 de sujeción, pertenecientes al primer miembro de la cadena cinemática.Likewise and as in other embodiments, in this particular embodiment of the actuator 100 according to the invention shown in Figure 3B, the elastic device 10 of variable stiffness is arranged between two clamping elements 71, belonging to the first member of the kinematic chain.
En la Figura 3C se muestra una realización de un acoplamiento 200 de rigidez variable, que comprende un dispositivo elástico 10 de rigidez variable como el mostrado en la Fig. 1A. El acoplamiento 200 conecta con rigidez variable dos elementos de una cadena cinemática (no mostrados en las figuras), estando uno de dichos elementos de la cadena cinemática conectado al árbol 21 y estando el otro elemento de la cadena cinemática conectado a, al menos, una de las carcasas 22a, 22b.An embodiment of a variable stiffness coupling 200 is shown in Figure 3C, comprising a variable stiffness elastic device 10 as shown in Figure 1A. Coupling 200 connects with variable rigidity two elements of a kinematic chain (not shown in the figures), one of said elements of the kinematic chain being connected to shaft 21 and the other element of the kinematic chain being connected to at least one of the housings 22a, 22b.
En esta realización particular del acoplamiento 200 según la invención, el dispositivo elástico 10 de rigidez variable está dispuesto entre dos elementos 71 de sujeción, perpendiculares a un soporte fijo horizontal 74 y unidos rígidamente al mismo. Asimismo, el elemento 31 para la fijación de la posición relativa de las carcasas 22a y 22b, es una cuña 31 que se inserta entre los dientes de las coronas dentadas 221 de las carcasas 22a y 22b.In this particular embodiment of the coupling 200 according to the invention, the elastic device 10 of variable stiffness is arranged between two clamping elements 71, perpendicular to a horizontal fixed support 74 and rigidly connected thereto. Likewise, the element 31 for fixing the relative position of the housings 22a and 22b, is a wedge 31 that is inserted between the teeth of the toothed rings 221 of the housings 22a and 22b.
En esta realización particular del acoplamiento 200 según la invención mostrada, el dispositivo elástico 10 de rigidez variable también está dispuesto entre dos elementos 71 de sujeción al primer miembro de la cadena cinemática, que pueden ser, por ejemplo, ruedas libres reversibles y bloqueables, permitiendo de este modo el giro en un sentido determinado y seleccionable, pero impidiéndolo en el contrario, o impidiendo el giro en cualquier sentido.In this particular embodiment of the coupling 200 according to the invention shown, the elastic device 10 of variable stiffness is also arranged between two fastening elements 71 to the first member of the kinematic chain, which can be, for example, reversible and lockable free wheels, allowing in this way the rotation in a specific and selectable direction, but preventing it in the opposite direction, or preventing the rotation in any direction.
En la Figura 3D se muestra una realización alternativa de un acoplamiento 200 de rigidez variable que, en esta realización particular de la invención, comprende un dispositivo elástico 10 de rigidez variable igual al mostrado en las Fig. 2A y 2B. El acoplamiento 200 conecta con rigidez variable un primer miembro unido al soporte horizontal 74 y un segundo miembro (no mostrado en la figura) de una cadena cinemática, estando el segundo miembro de la cadena cinemática conectado al árbol 21 y estando el primer miembro de la cadena cinemática conectado a, al menos, una de las carcasas 22a, 22b.An alternative embodiment of a variable stiffness coupling 200 is shown in Figure 3D which, in this particular embodiment of the invention, comprises an elastic device 10 of variable stiffness equal to that shown in Figures 2A and 2B. Coupling 200 connects with variable rigidity a first member attached to horizontal support 74 and a second member (not shown in the figure) of a kinematic chain, the second member of the kinematic chain being connected to shaft 21 and the first member of the kinematic chain connected to at least one of the housings 22a, 22b.
El dispositivo elástico 10 de rigidez está provisto de actuadores 27. Cada uno de dichos actuadores 27 está configurado para extender o retraer selectivamente un medio de acoplamiento en forma de diente (no visible en la Fig. 3D), de tal modo que cuando se extiende uno de dichos dientes, éste engrana con un borde dentado de un resorte, acoplándolo a la carcasa 22a, 22b correspondiente.The elastic stiffening device 10 is provided with actuators 27. Each of said actuators 27 is configured to selectively extend or retract a tooth-shaped coupling means (not visible in Fig. 3D), such that when it is extends one of said teeth, it meshes with a toothed edge of a spring, coupling it to the corresponding housing 22a, 22b.
En esta realización particular del acoplamiento 200 según la invención mostrada, el dispositivo elástico 10 de rigidez variable también está dispuesto entre dos elementos 71 de sujeción al primer miembro de la cadena cinemática, que pueden ser, por ejemplo, ruedas libres reversibles y bloqueables, permitiendo de este modo el giro en un sentido determinado y seleccionable, pero impidiéndolo en el contrario, o impidiendo el giro en cualquier sentido.In this particular embodiment of the coupling 200 according to the invention shown, the elastic device 10 of variable stiffness is also arranged between two fastening elements 71 to the first member of the kinematic chain, which can be, for example, reversible and lockable free wheels, allowing in this way the rotation in a specific and selectable direction, but preventing it in the opposite direction, or preventing the rotation in any direction.
Para la persona experta en la técnica serán evidentes otras posibles realizaciones diferentes de esta invención, a la vista de la presente descripción. En consecuencia, el alcance de protección de la presente invención está definido, exclusivamente, por las reivindicaciones que siguen a continuación. Different possible embodiments of this invention will be apparent to the person skilled in the art in light of the present disclosure. Consequently, the scope of protection of the present invention is defined exclusively by the claims that follow.
Claims (12)
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Applications Claiming Priority (1)
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Legal Events
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Ref document number: 2797550 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B2 Effective date: 20210408 |