ES2303131T3 - Manipulador cinematico paralelo para espacios de trabajo grandes. - Google Patents
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Abstract
Un robot industrial para el movimiento de un objeto en el espacio que comprende: - una plataforma (16) dispuesta para portar el objeto, - un primer brazo (7) dispuesto para influenciar la plataforma en un primer movimiento y que comprende un primer actuador que tiene una primera vía (1) y un primer carro (4) desplazable linealmente a lo largo de la primera vía, y un primer (11) y un segundo (12) enlaces, comprendiendo cada enlace una junta externa (11b, 12b) conectada con la plataforma y una junta interna (1la, 12a) conectada con el primer carro, - un segundo brazo (8) dispuesto para influenciar la plataforma en un segundo movimiento, que comprende un segundo actuador que tiene una segunda vía (2) y un segundo carro (5) desplazable linealmente a lo largo de la segundo vía, y dos enlaces (13, 14) comprendiendo cada enlace una junta externa (13b, 14b) conectada con la plataforma y una junta interna (13a, 14a) conectada con el segundo carro, - un tercer brazo (9) dispuesto para influenciar la plataforma en un tercer movimiento, que comprende un tercer actuador y al menos un enlace (15) que comprende una junta externa (15b) conectada con la plataforma y una junta interna (15a) conectada con el tercer actuador, y - una unidad de control que controla los movimientos de la plataforma, caracterizado porque - el primer enlace (11) del primer brazo está dispuesto con su eje longitudinal no paralelo al eje longitudinal del segundo enlace (12) del primer brazo, - el primer brazo está dispuesto rotativo alrededor de al menos un eje perpendicular a un primer plano (C) que comprende la primera y segunda vías, - el segundo brazo está dispuesto rotativo alrededor de al menos un eje perpendicular a dicho primer plano, - el primer y el segundo brazos están dispuestos rotativos de tal manera que la plataforma es movible entre los lados opuestos de un segundo plano (D) perpendicular a dicho primer plano y que pasa a través del primer y del segundo carros y que los sigue continuamente, y - dicha unidad de control comprende unos medios de control adaptados para realizar, al recibir una orden, una reconfiguración de la plataforma y de los brazos del robot, donde la reconfiguración comprende desplazar la plataforma entre los lados opuestos de dicho segundo plano.
Description
Manipulador cinemático paralelo para espacios de
trabajo grandes.
La presente invención se refiere a un robot
industrial según el preámbulo de la reivindicación 1. Un robot de
este tipo comprende un manipulador y un equipo del control para
mover un objeto en el espacio. El manipulador comprende un
manipulador cinemático paralelo que incluye al menos tres brazos,
comprendiendo cada uno de ellos una disposición de enlace. El
manipulador comprende una plataforma soportada conjuntamente por los
tres brazos. Cada brazo se asocia a un actuador con la finalidad de
mover los enlaces de del brazo de tal manera que se logre un
movimiento de la plataforma. La tarea de la plataforma es dar
soporte directa o indirectamente a los instrumentos u objetos,
tanto grandes como pequeños, para el movimiento, la medición, el
proceso, el trabajo, el ensamblaje, etc. En particular, el
manipulador se destina a ser utilizado en la industria de
fabricación pero también puede plantearse la transferencia de
mercancías y los conductos para los pasajeros en puertos y
aeropuertos.
La invención también se refiere a un método para
la reconfiguración de un robot industrial según la invención.
Un robot industrial incluye un manipulador y una
unidad de control que tienen medios para hacer funcionar
automáticamente el manipulador. Hay diferentes tipos de
manipuladores, tales como un manipulador cinemático en serie y un
manipulador cinemático paralelo.
Se define un manipulador cinemático paralelo
(PKM) como un manipulador que comprende al menos un elemento
estacionario, un elemento movible, por lo general una plataforma, y
al menos tres brazos. Cada brazo comprende una disposición de
enlace conectada con la plataforma movible. Cada brazo es actuado
unos medios de conducción dispuestos preferiblemente en el elemento
estacionario para reducir la masa móvil. Estas disposiciones de
enlace transfieren fuerzas a la plataforma movible. Para un
manipulador cinemático paralelo completamente construido para el
movimiento de la plataforma con tres grados de libertad, por ejemplo
en las direcciones x, y y z en un sistema cartesiano
de coordenadas, se requiere tres brazos que trabajan en paralelo.
Para obtener un sistema de brazo rígido con una gran capacidad de
carga y un peso bajo, los brazos del manipulador cinemático
paralelo deberían tener un total de seis enlaces. Esto significa que
los brazos deben compartir los seis enlaces entre sí, y esto se
puede hacer solamente con determinadas combinaciones.
Cuando se requiere un espacio de trabajo
rectangular en las aplicaciones del manipulador, se utilizan hoy
los así llamados manipuladores de pórtico. Estos manipulan una
plataforma con normalmente cuatro grados de libertad: x, y,
z y una rotación alrededor del eje z. Estos manipuladores
se componen de un eje de rotación y de tres vías lineales
conectadas en serie, en las cuales se mueven las unidades movibles
en las direcciones x, y y z.
La solicitud de patente internacional W002/34480
describe un robot industrial del tipo de pórtico que comprende una
plataforma dispuesta para llevar un objeto, estando un primer brazo
dispuesto para influenciar la plataforma en un primer movimiento y
comprendiendo un primer actuador que tiene una primera vía y un
primer carro linealmente desplazable a lo largo de la primera vía,
y al menos dos enlaces, cada uno de los cuales comprende una junta
externa dispuesta en la plataforma y una junta interna dispuesta en
el primer carro, un segundo brazo dispuesto para influenciar la
plataforma en un segundo movimiento y que comprende un segundo
actuador, que tiene una segunda vía y un segundo carro linealmente
desplazable a lo largo de la segunda vía, y dos enlaces, cada uno
de los cuales comprende una junta externa dispuesta en la plataforma
y una junta interna dispuesta en el segundo carro, y un tercer
brazo dispuesto para influenciar la plataforma en un tercer
movimiento y que comprende un tercer actuador y al menos un enlace,
el cual comprende una junta externa dispuesta en la plataforma y
una junta interna conectada al tercer actuador. El brazo soporta un
eje de rotación cuando el manipulador tiene cuatro grados de
libertad.
En este documento se describe un robot para el
cual los brazos compartan los seis enlaces entre sí en combinaciones
de 3/2/1. Para lograr un ángulo constante de rotación de la
plataforma los tres enlaces del primer brazo se disponen en
paralelo y de modo que los enlaces formen un paralelogramo. Un robot
de la técnica anterior de este tipo se muestra en la figura 1 de la
presente solicitud. El espacio de trabajo obtenido con el robot en
la figura 1 se muestra en la figura 2. Como se muestra en la figura
2, el espacio de trabajo del robot se limita solamente a una parte
del área entre las vías lineales. En particular, el espacio de
trabajo es muy limitado en comparación con el espacio total ocupado
por el robot incluyendo las vías lineales. Sin embargo, en muchos
usos industriales hay un deseo de disponer de un espacio de trabajo
más grande. En particular, hay un deseo de poder utilizar la
mayoría del área entre la primera y segunda vía lineal.
El objeto de la presente invención es
proporcionar un robot industrial que comprende un manipulador
cinemático paralelo, que resuelva los deseos anteriormente
mencionados con respecto a un espacio de trabajo aumentado en
relación con el tamaño del robot.
Este objeto se logra por el robot industrial
según lo definido en la reivindicación 1. Según la invención, el
robot está dispuesto de tal manera que es posible mover la
plataforma y la disposición de enlace entre los lados opuestos de
un plano perpendicular a un plano que comprende la primera y la
segunda vías y que pasa a través del primer y el segundo carro. Un
robot de este tipo se puede reconfigurar, lo cual significa que es
posible para el robot trabajar en ambas direcciones entre las vías
lineales. Gracias al hecho de que se puede reconfigurar el robot,
se logra un espacio de trabajo aumentado. El espacio de trabajo se
prolonga fuera de la extensión de las vías lineales en dos lados.
Así, se logra un espacio de trabajo grande en relación con el
tamaño del robot.
Según una realización de la invención, el primer
enlace del primer brazo está dispuesto con su eje longitudinal no
paralelo al eje longitudinal del segundo enlace del primer brazo. En
esta realización el primer brazo no tiene ninguna singularidad
interna en el espacio de trabajo. La rigidez con respecto a
rotaciones de la plataforma sobre un eje perpendicular al plano que
comprende la primera y segunda vía será igual en cualquier lugar del
espacio de trabajo.
Según una realización de la invención, la
distancia entre la junta interna del primer enlace y la junta
interna del segundo enlace es más corta que la distancia entre la
junta externa del primer enlace y la junta externa del segundo
enlace. Las fuerzas en la disposición de enlace disminuyen conforme
aumenta la distancia entre las juntas externas. Así, esta
realización reduce las fuerzas en los enlaces del primer brazo.
Según una realización de la invención, las
juntas internas del primer y del segundo enlace del primer brazo
están dispuestas a una distancia la una de la otra en una dirección
perpendicular a dicho primer plano. Por consiguiente, se logra un
espacio de trabajo más grande puesto que se evitan las colisiones
entre los enlaces y es así posible que la plataforma se mueva más
cerca de la primera vía.
Según una realización de la invención, las
juntas internas del primer y del segundo enlaces del primer brazo
están dispuestas a lo largo de una línea común, la cual es
perpendicular a dicho primer plano. Esta realización simplifica los
cálculos cinemáticos durante el control del movimiento del
robot.
Según una realización de la invención, el primer
brazo comprende un tercer enlace que comprende una junta externa
conectada con la plataforma y una junta interna conectada con el
primer carro. El tercer enlace permite mantener un ángulo de
inclinación constante de la plataforma durante el funcionamiento.
Esto es ventajoso en varias aplicaciones para las que sea
importante mantener la herramienta en un ángulo constante con
respecto a una pieza de trabajo, por ejemplo durante el taladrado,
rectificado, fresado, pulido, corte, pegado y soldadura en una
pieza plana.
Según una realización de la invención, la junta
interna del tercer enlace también está dispuesta a lo largo de
dicha de línea. Esta realización simplifica adicionalmente los
cálculos cinemáticos durante el control del movimiento del
robot.
Según una realización de la invención, las
juntas internas del segundo brazo están dispuestas a lo largo de
una línea, la cual es paralela a dicha línea común a lo largo de la
cual están dispuestas dichas juntas del primer brazo. Así, la
plataforma es bloqueada en cuanto a su rotación sobre el eje x y el
eje y, lo que significa que tendrá un ángulo constante de
inclinación.
Según una realización de la invención, la junta
interna del primer enlace y la junta interna del segundo enlace son
una junta común. El número de juntas entonces se reduce, y se logra
así un robot más barato.
Según una realización de la invención, uno de
los enlaces está dotado de un mecanismo de enclavamiento que al ser
activado evite que el enlace rote sobre su eje longitudinal.
Preferiblemente, dicho dispositivo de enclavamiento está dispuesto
para evitar que el enlace rote sobre su eje longitudinal cuando el
robot pasa a través de una singularidad durante su reconfiguración.
Esta realización evita que la plataforma se incline de manera
incontrolada cuando el robot pasa por una singularidad durante la
reconfiguración.
Según una realización de la invención, las dos
juntas interna y externa de uno de los enlaces están dispuestas
movibles solamente en dos grados de libertad, y dicho un enlace está
dotado de un juego dispuesto para asumir movimientos rotatorios de
menor importancia sobre el eje longitudinal del enlace. Esta
realización también evita que la plataforma se incline de manera
incontrolada cuando el robot pasa por una singularidad durante su
reconfiguración.
Según una realización de la invención, el enlace
del tercer brazo está dotado de una unidad de enclavamiento que
tiene un estado bloqueado, en el cual el enlace está fijo con
respecto a su junta interna, y un estado abierto, en el cual se
permite moverse al enlace con respecto a su junta interna en una
dirección a lo largo del eje longitudinal del enlace. Esta
realización evita que la plataforma se mueva profundamente en la
dirección z durante la reconfiguración del tercer brazo.
Según una realización de la invención, el enlace
del tercer brazo está dispuesto con una longitud ajustable, y el
tercer brazo incluye un actuador adaptado para controlar la longitud
del enlace. Esta es una realización alternativa, que también evita
que la plataforma se mueva profundamente en la dirección z durante
la reconfiguración del tercer brazo.
Según una realización de la invención, uno de
los enlaces del primer o del segundo brazo es dotado de un miembro
de enclavamiento, que al ser activado evita que el enlace se mueva
en una dirección perpendicular a un plano que pasa la primera y la
segunda vías. Preferiblemente, el miembro de enclavamiento está
dispuesto para impedir a una de las juntas de dicho enlace dotado
del miembro de enclavamiento, de rotar sobre un eje en una dirección
paralela a un plano que pasa la primeras y la segunda vías. Esta
realización permite evitar que la plataforma se mueva de manera
incontrolable cuando la unidad de enclavamiento del enlace del
tercer brazo se suelta, especialmente cuando se monta el robot de
una manera tal que el plano que pasa por la primera y la segunda
vías sea perpendicular a la dirección de la gravedad.
Según una realización de la invención, los dos
enlaces del segundo brazo tienen esencialmente la misma longitud y
están dispuestos con sus ejes longitudinales en paralelo. Esta
realización mantiene la plataforma bloqueada en rotación sobre al
menos uno de los ejes x e y, lo cual significa que tendrá un ángulo
constante de inclinación.
Según una realización de la invención al menos
dos de los enlaces del primer brazo están dispuestos de tal modo
que, al menos desde un punto de vista, están en paralelo.
Preferiblemente, al menos dos de los enlaces del primer brazo
tienen esencialmente la misma longitud. Esta realización mantiene la
plataforma bloqueada en cuanto a su rotación sobre el eje x y el
eje y, lo cual significa que tendrá un ángulo de inclinación
constante.
Según una realización de la invención, el
primer, el segundo y tercer enlaces están dispuestos de tal manera
que, al menos desde un punto de vista, están en paralelo. Un robot
de este tipo es fácil de construir.
Otro objeto de la invención es proporcionar un
método para la reconfiguración de un robot industrial según la
presente invención. Este objeto se logra con el método según lo
definido en la reivindicación 20.
Según una realización de la invención, el método
comprende desplazar el primer y el segundo carro el uno con
respecto al otro hasta que el robot alcance dicha segunda posición,
bloquear uno de los enlaces para impedir que rote sobre su eje
longitudinal, mover el primer y el segundo carro hasta que el robot
alcance dicha tercera posición, y mover al primer y segundo carro
hasta que alcance dicha cuarta posición, y soltar dicho
enclavamiento de uno de los enlaces de rotar sobre su eje
longitudinal. Mover el primer y el segundo carros significa que o
bien solamente se mueve el primer carro, o bien solamente se mueve
el segundo carro, o bien se mueven tanto el primer como el segundo
carros, o bien se mueven al menos uno del primer y el segundo carro,
y el tercer carro. Esta realización evita que la plataforma se
incline de manera incontrolada cuando el robot pasa a través de una
singularidad durante su reconfiguración.
Según una realización de la invención, cuando el
robot está en dicha primera posición, la junta interna del enlace
del tercer brazo se coloca en un primer lado de un tercer plano
perpendicular a la primera y a la segunda vías, y a pasar a través
de la plataforma y seguirla continuamente, y el método comprende
adicionalmente: mantener el enlace del tercer brazo en una relación
fija a su junta interna hasta el robot haya pasado dicha tercera
posición, y cuando el robot haya pasado dicha tercera posición,
bloquear uno de los enlaces del primer o segundo brazo de de manera
que no se mueva en una dirección perpendicular a un plano que pasa
por la primera y la segunda vías, permitir que el enlace del tercer
brazo se mueva con respecto a su junta interna en una dirección a
lo largo de los ejes longitudinales del enlace, mover la junta
interna del enlace del tercer brazo a dicho segundo lado de dicho
tercer plano, bloquear el enlace del tercer brazo en una relación
fija respecto a su junta interna, y soltar dicho enclavamiento de
uno de los enlaces del primer o del segundo brazo de manera que se
mueva en una dirección perpendicular a un plano que pasa por la
primera y la segunda vías. Esta realización de la invención evita
que la plataforma se mueva profundamente en la dirección z durante
la reconfiguración del tercer brazo y también evita que la
plataforma caiga debido a la gravedad cuando el enclavamiento del
enlace del tercer brazo se suelta y el robot se monta con el
mencionado plano perpendicular a la dirección de la gravedad.
Según una realización de la invención, los
movimientos de al menos uno del primer y del segundo brazos son
controlados por un servocontrol obediente durante el paso de dicha
tercera posición del robot. Así, se reduce la demanda en cuanto a
la exactitud del control durante el paso a través de la posición
singular.
Ahora se explicará la invención más de cerca
mediante la descripción de diferentes realizaciones de la invención
y haciendo referencia a las figuras anexas:
La Fig. 1 muestra un diseño de la técnica
anterior de un manipulador cinemático paralelo de tipo pórtico.
La Fig. 2 muestra el manipulador de la figura 1
en una vista desde arriba.
La Fig. 3 muestra un brazo de un manipulador
según una primera realización de la invención.
La Fig. 4 muestra un brazo de un manipulador
según una segunda realización de la invención.
La Fig. 5 muestra la configuración interna del
brazo según la figura 4 cuando está montado en el manipulador.
La Fig. 6 muestra el manipulador de la figura 5
en dos configuraciones A y B diferentes.
La Fig. 7 muestra una puesta en práctica del
manipulador de las figuras 5 y 6
La Fig. 8a-d muestra mecanismos
diferentes para bloquear los grados de libertad del manipulador y
para limitar el espacio de trabajo.
La Fig. 9 muestra el manipulador de la figura 7
dotado de un dispositivo de enclavamiento que se utilizará cuando
el robot pase a través de una singularidad durante su
reconfiguración.
La Fig. 10 muestra una solución alternativa para
bloquear la rotación de un enlace cuando pasa a través de una
singularidad.
La Fig. 11 es un dibujo esquemático del
manipulador de la figura 7.
La Fig. 12 muestra un manipulador según una
tercera realización de la invención.
La Fig. 13 muestra una proyección del
manipulador de la figura 12 sobre el plano y_{w}z_{w}.
La Fig. 14 muestra una proyección del
manipulador de la figura 12 en el plano x_{w}y_{w}.
La Fig. 15 muestra una reconfiguración del
manipulador de las figuras 12.14.
La Fig. 16 muestra un manipulador según una
cuarta realización de la invención.
La Fig. 17 muestra un manipulador según una
quinta realización de la invención.
La Fig. 18 muestra una disposición especial para
evitan colisiones entre un contrapeso de equilibrio y las vías.
La Fig. 19 muestra un un ejemplo de un uso
conveniente para un manipulador según la invención.
La fig. 20 muestra un manipulador según una
sexta realización de la invención.
La figura 1 muestra un diseño de la técnica
anterior de un tipo de manipulador cinemático paralelo de tipo
pórtico (PKM) que tiene un espacio de trabajo más bien grande, pero
el cuál no puede hacer una reconfiguración completa para trabajar
en ambas direcciones entre las vías lineales. El PKM comprende dos
vías 1 y 2, las cuales definen juntas un plano paralelo al plano
x_{w}y_{w} del sistema de coordenadas universales mostrado en
la figura. En la vía 1 hay un carro 4, que es actuado para moverse a
lo largo de la vía 1, por ejemplo por un módulo lineal de tornillo
de bola impulsado por motor, una transmisión de banda impulsada por
motor, un accionamiento de cremallera y piñón, o un motor lineal de
accionamiento directo. De la misma manera, se acciona un carro 5 a
lo largo de una vía 2, y un carro 6 a lo largo de una vía 3. La vía
3 es paralela a las vías 1 y 2 y forma una geometría triangular en
el plano y_{w}z_{w} junto con las vías 1 y 2. Cada carro está
conectado con una plataforma actuada 16 por medio de un brazo, el
carro 4 con un primer brazo 7, el carro 5 con un segundo brazo 8 y
el carro 6 con un tercer brazo 9. El primer brazo 7 consiste en tres
enlaces paralelos 10, 11, 12. Estos enlaces tienen la misma
longitud y en cada extremo de los enlaces hay una junta. Así, el
enlace 10 tiene una junta interna 10a y una junta externa 10b, el
enlace 11 tiene una junta interna 11a y una junta externa 11b, y el
enlace 12 tiene una junta interna 12a y una junta externa 12b. El
brazo 8 consiste en dos enlaces paralelos 13 y 14 con longitud
igual y de la misma manera que para el brazo 7 estos enlaces tienen
una junta interna y externos, 13a y 13b para el enlace 13 y 14a y
14b para el enlace 14. Finalmente, el brazo 9 consiste en solamente
un enlace 15 con una junta interna 15a y una junta externa 15b: Para
un montaje mecánico no redundante de la estructura del brazo del
manipulador al menos una de las juntas interna y externa para cada
enlace debe tener tres grados de libertad, en lo sucesivo designados
por DOF, mientras que la otra junta debe tener al menos 2 DOF. Para
reducir al mínimo el peso de la plataforma actuada cuando se usan
juntas universales, es una ventaja para tener 2 DOF para las juntas
externas y 3 DOF para las juntas internas.
La figura 2 muestra el manipulador de la figura
1 desde arriba con las vías 1 y 2 que forman un plano paralelo al
plano x_{w}y_{w}. Esta figura se incluye para mostrar el espacio
de trabajo para la plataforma actuada en el plano x_{w}y_{w}.
El espacio de trabajo está limitado por la línea de trazos 17a y,
como puede verse, casi la mitad del espacio entre las vías 1 y 2 no
se puede alcanzar por la plataforma actuada 16. Para poder alcanzar
este espacio es necesaria una reconfiguración de la estructura del
brazo, lo cual significa que los carros estén actuados de una
manera tal que los brazos vayan de la manipulación de la plataforma
actuada 16 a la derecha de los carros en la figura a la izquierda
de los carros en la figura.
Para hacer la reconfiguración posible, los
enlaces 11 y 12 en la figura 2 se debe montar en el carro 4 de otra
manera. Así, la figura 3 muestra esquemáticamente los enlaces 11 y
12 con un montaje en la plataforma 4 de una manera tal que una
línea a través de los centros de las juntas internas 11a y 12a sea
paralela a la vía 1. El brazo 7 está dispuesto rotativo de tal
manera que la plataforma 16 se pueda desplazar entre los lados
opuestos de un plano a través del carro 4 y el perpendicular a las
vías 1 y 2. Con este montaje los enlaces del brazo 7 pueden hacer
oscilar la plataforma 16 a ambos lados del carro 4, como se da a
título de ejemplo con la plataforma 16 en una configuración
derecha en A y B y en una configuración izquierda en C. El brazo 7
tendrá en estas 3 posiciones las configuraciones internas 7A, 7B y
7C. Sin embargo, un problema con este diseño es que las
configuraciones internas 7A y 7C están cerca de una singularidad
interna cuando coinciden los enlaces 11 y 12. Estas configuraciones
internas darán al manipulador una rigidez muy baja y con un
requisito de 30 grados o más entre el eje longitudinal de los
enlaces 11 y 12 en lo respecto a la línea a través de las juntas
11a y 12a para alta rigidez, el espacio de trabajo será limitado y
cubrirá solamente la parte inferior entre las vías 1 y 2 de la
figura 2.
La figura 4 muestra la solución al problema con
el diseño de enlaces paralelo en la figura 3. Aquí la plataforma
actuada 16 está conectada al carro 4 con los enlaces 11 y 12
formando una figura triangular según se ve en el plano
x_{w}y_{w}. El primer enlace 11 está dispuesto con su eje
longitudinal no paralelo al eje longitudinal del segundo enlace 12.
Con esta configuración de enlaces la configuración interna del brazo
será la misma independientemente de donde se coloque en el espacio
de trabajo la plataforma actuada 16, lo cual quiere decir que la
rigidez con respecto a las rotaciones de la plataforma alrededor del
eje z_{w} será igual en cualquier lugar del espacio de trabajo
entre las vías 1 y 2. En la figura, las juntas 11a y 12a coincidan,
pero se permite una desviación pequeña entre ellas en el plano
x_{w}y_{w}, aun cuando los cálculos cinemáticos sean entonces
algo más complicados y el espacio de trabajo un poco reducido. Una
diferencia de la figura 3 es que ahora se hará rotar a la
plataforma actuada cuando se manipule en el espacio de trabajo. Sin
embargo, esto es un problema de menor importancia puesto que la
plataforma tendrá una muñeca con al menos un grado de libertad, con
lo cual esta rotación de la plataforma será compensada por una
rotación del eje de la muñeca en sentido contrarío.
La figura 5 muestra la configuración interna del
brazo 7 según la figura 4 cuando está montado en el manipulador.
Ahora se da a la plataforma actuada 16 una forma de L con las juntas
11b y 12b montadas en la parte horizontal de la L y la junta 10b
montados en la parte vertical de la plataforma en forma de L. El
enlace 10 se monta en relación con los enlaces 11 y 12 de una
manera tal que el ángulo de inclinación de la plataforma actuada
sea constante a lo largo de todo el espacio de trabajo. Esto
significa que si por ejemplo se monta una herramienta de taladrado
en la plataforma con el eje z_{w} como dirección de taladrado,
entonces se hará el taladrado en esta dirección en todo el espacio
de trabajo tanto en la configuración derecha como en la izquierda
del manipulador. Para obtener este ángulo de inclinación
independientemente de la posición en el diseño de la figura 5, el
enlace 10 es paralelo al enlace 11 y los enlaces 10 y 11 tienen la
misma longitud. Por otra parte, una línea a través de las juntas
10b y 11b, cuya línea es paralela con una línea a través de las
juntas 10a y 11 a + 12a, debe ser paralela a una línea a través de
las juntas 13b y 14b y puesto que los enlaces 13 y 14 son paralelos
y de la misma longitud, la línea a través de las juntas 10b y 11b
también será paralelo a una línea a través de las juntas 13a y
14a.
El enlace 12 tiene la responsabilidad de asumir
los esfuerzos de los pares de torsión alrededor del eje z_{w} de
la plataforma actuada 16 y su montaje en la plataforma no es
crítico. Sin embargo, la distancia entre la junta 12b y la línea a
través de las juntas 10b y 11b debe ser tan grande como sea posible
para reducir al mínimo la fuerza axial longitudinal en el enlace
12, pero esta distancia hará simultáneamente que la plataforma
actuada sea más amplia, lo cual reducirá la rigidez de la plataforma
y por otra parte reducirá el espacio de trabajo puesto que la
plataforma 16 necesitará un espacio mayor entre las vías lineales 1
y 2 para evitar para chocar con éstas.
Si la distancia entre las juntas internas 11a,
12a es más corta que la distancia entre las juntas externas 11b,
12b de los enlaces 11 y 12, las fuerzas en los enlaces disminuyen.
Las fuerzas en la disposición de enlace disminuyen conforme aumenta
la distancia entre las juntas exteriores, pero la plataforma
aumentará simultáneamente de tamaño y reducirá el espacio de
trabajo entre la primera y la segunda vías 1, 2. Así, dependiendo de
la aplicación, se usa una distancia conveniente entre las juntas
externas.
El problema de colisión entre la plataforma
actuada 16 y la vía 1 es evidente en la figura 6. Aquí se muestran
los brazos 7 y 8 junto con la plataforma en una vista paralela al
plano x_{w}y_{w}. En la configuración A del manipulador puede
verse cómo el movimiento de la plataforma actuada es limitado en la
dirección y_{w} por la colisión entre la junta externa 12b y la
vía 1. Sin embargo, en la configuración opuesta B, este problema no
ocurre y por consiguiente el espacio de trabajo será más grande en
la dirección y_{w}, cuando el robot trabaja a la izquierda de la
figura (configuración B) que a la derecha (configuración A).
La figura 7 muestra una puesta en práctica del
manipulador de las figuras 5 y 6. En la figura 7a una de las juntas
universales se representa con tres ejes de rotación 20, 21 y 22. El
eje 20 viene dado por un cojinete 12, el eje 21 por dos cojinetes
en línea 18, y el eje 22 por un cojinete 19, el cual se monta de una
manera tal que el eje 22 coincida con el eje de simetría del enlace
conectado a la junta. Para el mejor funcionamiento, los ejes 20, 21
y 22 deben ser ortogonales entre sí. Para las juntas que necesiten
solamente 2 DOF, no se utiliza. El cojinete 19. En la figura 7b se
usa el diseño de cojinete de la figura 7a para todas las juntas del
manipulador. Como antes, el manipulador es actuado por los tres
carros 4, 5 y 6, que se conducen en tres vías paralelas 1, 2, 3,
las cuales forman un triángulo en el plano y_{w}z_{w}. El brazo
7 consiste en tres enlaces 10, 11 y 12, con juntas internas 10a,
11a 12a y juntas externas 10b, 11b y 12b. El eje 20 de la figura 7a
coincide para los juntas interiores 10a, 11a y 12a, formando un eje
común 23 en la dirección z_{w}. Los enlaces 10 y 11 son paralelos
y de la misma longitud y el enlace 12 forma un ángulo respecto a
los enlaces 10 y 11 según lo visto desde arriba en la figura o lo
descrito con más precisión, en la proyección del brazo 7 sobre el
plano x_{w}y_{w}. Cuando el brazo 7 se proyecta en un plano
paralelo al eje z_{w}, como por ejemplo el plano y_{w}z_{w},
los enlaces 10 y 11 deben ser paralelos, pero el enlace 12 no
necesita ser paralelo a los enlaces 10 y 11. Por otra parte, el
enlace 12 no necesita tener la misma longitud que los enlaces 10 y
11. Según lo descrito anteriormente, un requisito previo para esto
es que el eje 23 sea paralelo a la línea que pasa a través de los
centros de las juntas 10a y 11a, la línea a través de las juntas 13b
y 14b y la línea a través de las juntas 13a y 14a.
Debería ser destacado que la junta 12b podría
tener una desviación tanto en la dirección x_{w} como en la
dirección y_{w}, y con una desviación suficientemente grande en
cualquiera de estas direcciones, también una desviación en la
dirección y_{w}. Sin embargo, una desviación, por ejemplo en la
dirección x_{w}, dará una rotación más complicada a la de la
plataforma 16, haciendo los cálculos cinemáticos más difíciles y
con compensaciones mayores se reducirá el espacio de trabajo del
robot. En la figura 7 también se muestran limitadores 28, 29 y 30
de eje. Estos limitadores pararán el manipulador cuando alcance los
límites de su espacio de trabajo. Otro detalle está constituido por
las disposiciones de longitud de enlace ajustable para el enlace
15. Esto se pone en ejecución con un cojinete lineal 26, que puede
ser bloqueado empujando el cilindro 24 en el agujero 25 del enlace.
Como una alternativa, se puede utilizar un mecanismo de rotura
mecánica para bloquear los el cojinete lineal. Se puede considerar
otro mecanismo de enclavamiento para la junta 10a, en el cual el
par de cojinetes con eje horizontal se puede bloquear por un
cilindro 27. Puede también verse también que ambas juntas 10a y 10b
para el enlace 10 tienen solamente 2 DOF. Se ponen en ejecución
todas estas disposiciones especiales para ser capaces de hacer una
transición controlada del manipulador entre sus dos
configuraciones.
La figura 8a-d muestra más
detalladamente los mecanismos para enclavar los grados de libertad y
para limitar el espacio de trabajo del manipulador. Así, la figura
8a muestra que el enlace 15 está provisto de una unidad de
enclavamiento 24, 26 que tiene un estado bloqueado, en el cual el
enlace 15 es fijo con respecto a su junta interna 15a, y un estado
abierto, en el cual se permite al enlace moverse con respecto a la
junta 15a en una dirección a lo largo del eje longitudinal del
enlace 15. La unidad de enclavamiento comprende un cojinete lineal
26 que permite que el enlace 15 se deslice en relación a la junta
15a, con la intención de adaptar la longitud del enlace cuando el
carro 6 se mueve al cambio la configuración del tercer brazo 9.
Durante el funcionamiento normal el enlace 15 es fijo respecto a la
junta 15a, lo cal se hace presionando un cilindro 24 en un taladro
25 del cojinete 26. Por supuesto, son posibles otros varios
mecanismos de enclavamiento, por ejemplo roturas mecánicas,
embragues hidráulicos, etc.
La Figura 8b muestra un concepto mecánico de
tope de extremo para la junta 15b. Cuando se hace girar un cojinete
32 a lo largo de un eje 33, se moverá un eje 31 hacia arriba y hacia
abajo y se encajará un tope 29 de extremo cuando el eje 31 se haya
movido a una posición en la cual el eje 31 golpee el tope 29 de
extremo. Se puede utilizar un tope de extremo correspondiente en el
otro lado de la junta 15b para limitar la carrera de trabajo para
el cojinete 32 en ambas direcciones de rotación. El propósito de
este tope de extremo es establecer restricciones para el movimiento
del tercer carro 6 y se puede utilizar también para indicar el
ángulo del enlace 15 cuando este enlace se controla para cambiar su
configuración. En la figura 8c se muestra un mecanismo
correspondiente de tope de extremo. En este caso, la carrera de
trabajo de un cojinete 36 cuando gira alrededor de un eje 37 está
limitada por un tope 30 de extremo. Con este tope 30 de extremo, se
supervisará el ángulo entre los brazos 7 y 8. Cuando estos brazos
sean controlados para cambiar su configuración, se puede utilizar
este tope 30 de extremo para supervisar la transferencia de
configuración y para indicar cuando ha alcanzado el robot su
singularidad cuando los brazos 7 y 8 sean paralelos. Este tope 30 de
extremo se podría montar también en la junta 13.
La figura 8d muestra un miembro de enclavamiento
para bloquear la junta 10b que comprende un par de cojinetes 41. El
miembro de enclavamiento comprende un cilindro 27 y una pestaña 28.
Aquí el par de cojinetes 41 se bloquea para no pasar la pestaña 28
por medio del cilindro 27, el cual se inserta en un taladro 38 en
uno de los cojinetes 41. Se hace esto antes de que el cojinete
lineal 26 de la figura 8a se suelte para garantizar que la
plataforma 16 no se moverá en una dirección perpendicular a un plano
que pasa por la primera y la segundas vías cuando se suelta
entonces el cojinete lineal 26. Cuando se hace esta suelta, y el
cilindro 27 se ha insertado en el taladro 38, el cilindro 27
impedirá que el par de cojinetes 41 pase la pestaña 28 y el
manipulador será bloqueado en la dirección z_{w}. En el
funcionamiento normal, no se utilizará el cilindro 27 para bloquear
el par de cojinetes 41.
La figura 8d muestra también un espacio de
trabajo que limita el mecanismo que comprende los topes 39 y 40 de
extremo montados en uno de los cojinetes 41, que trabaja de la misma
manera que el miembro de enclavamiento 27, 38. Así, el par de
cojinetes 41 que gira alrededor de un eje 42, es limitado por los
topes de extremo 39 y 40. Cuando el brazo 7 se mueve hacia abajo
(véase la figura 7), el tope 39 de extremo golpeará eventualmente
la pestaña 28, y el movimiento será parado, y cuando el brazo 7 se
mueva hacia arriba, serán parado cuando el tope 40 de extremo
golpee la pestaña 28. La pestaña 28 está fijada al cojinete interno
entre el par 41 de cojinetes y los topes 39 y 40 de extremo se
montan en la parte rotativa externa del cojinete 41. Los topes 39 y
40 de extremo podrían ser topes mecánicos de extremo o interruptores
eléctricos. Este mecanismo de tope de extremo previene que el
manipulador caiga cuando se suelte la unidad de enclavamiento 24, 26
de la junta 15a y se puede integrar también en cualquiera de las
juntas 11a, 12a, 10b, 11b, 12b, 13a, 14a, 13b o 14b.
Como se puede ver en la figura 7, el enlace 10
tiene una junta de 2 DOF tanto para la junta interna 10a como para
la junta externa 10b. La razón de esto es que cuando la estructura
del enlace pasa la singularidad durante una reconfiguración,
después la plataforma 16 ganará un DOF y se inclinará sin ningún
control si todos los enlaces tienen al menos una junta con 3 DOF.
Sin embargo, si un enlace tiene solamente 2 DOF en sus dos juntas,
entonces este enlace puede transmitir el par de torsión al carro e
impedir la inclinación incontrolada de la plataforma 16. Sin
embargo, tener 2 juntas de DOF en ambos extremos de un enlace dará
un montaje mecánico redundante y se formarán fuerzas y pares de
torsión internos en la estructura cuando sea montada. Cuando se
montado un manipulador muy rígido para una aplicación tal como la
retirada de materiales, la tensión en los componentes puede ser muy
alta, conduciendo a grandes niveles de rozamiento y a una reducción
en el tiempo de vida. En la figura 9 se puede encontrar una
solución a este problema.
La figura 9a muestra el mismo manipulador que en
la figura 7 y la figura 9b muestra el enlace 10 provisto de un
juego para asumir la pequeña rotación alrededor del eje central del
enlace 10 que se produce debido a pequeños errores de geometría en
los componentes del brazo cuando éstos están montados en una
estructura completa de brazo. Esta pequeña rotación alrededor del
eje central 10 del enlace 10 desencadenará también la tensión en la
estructura del brazo debido a los cambios de temperatura. Así, el
enlace 10a se divide en dos partes de enlace 10c y 10d y entre
estas piezas del enlace hay un cojinete 44 con su eje de la rotación
que coincide con el eje central 20 de las piezas 10c y 10d del
enlace.
La figura 9c muestra la disposición del cojinete
con más detalle. La pieza 10c del enlace tiene una sección 43 de
mayor diámetro con un dispositivo de enclavamiento que tiene dos
topes 45a y 45b de extremo muy cerca el uno del otro. Una parte
rotatoria externa 25 del cojinete 44 está conectada a la sección 43
con un puente 47, lo cual significa que la parte 10d de enlace
puede girar con respecto a la parte 10c de enlace. Sin embargo,
esta limitado en rotación por los topes de extremo 45a y 45b, puesto
que un cilindro 46 montado en la parte 10d del enlace está
restringido entre los topes de extremo 45a y 45b, formando así un
juego de rotación entre las partes de enlace 10c y 10d. Este juego
se diseña para asumir las rotaciones relativas de la pieza de enlace
que se necesitan para compensar para los errores de geometría en la
estructura del brazo. Cuando la estructura del brazo está en su
singularidad, el cilindro 46 será movido bien hacia el tope de
extremo 45a o bien hacia el 45b dependiendo de la dirección del
esfuerzo de torsión causado por la gravedad cuando el robot comienza
a inclinarse en la singularidad. En la figura esta disposición se
sitúa casi en el centro del primer brazo 9 por razones de claridad,
pero en un buen diseño debe estar tan cerca como sea posible de la
junta interna 10a.
La figura 10 muestra una solución alternativa
para bloquear la rotación de un enlace cuando pasa por una
singularidad y bloquear una junta para evitar que la plataforma
actuada caiga cuando se suelte el cojinete lineal 26. Así, en este
caso se utilizan los frenos de disco mecánicos 48, 49 y 54, 55.
Cuando la estructura del brazo pasa por la singularidad, un
dispositivo de sujeción 49 se sujeta al disco 48 del freno,
bloqueando la parte de enlace 10c a la parte de enlace 10d. El
dispositivo de sujeción 49 se monta en un cojinete 51 con un eje de
rotación 54. La parte principal del cojinete 51 se monta en un
cojinete 52 con una línea central de rotación 53. La parte
principal del cojinete 52 se monta en la plataforma actuada 16.
Cuando la estructura del brazo haya pasado la singularidad, se
suelta el freno 48, 49 y el manipulador trabaja sin ninguna
redundancia de montaje, puesto que las partes 10c y 10d de enlace
pueden rotar entonces la una respecto a la otra debido al cojinete
61.
De una manera similar, se utiliza un freno de
disco 54, 55 para sostener la plataforma actuada cuando el primer
brazo 9 se mueve a partir de una configuración a otra durante lo
cual se suelta el cojinete lineal 26. La junta 10a comprende dos
cojinetes 56 y 59. Se monta un disco 54 en la pieza rotatoria
secundaria del cojinete 56 y rotará así alrededor de un eje central
58 de rotación del cojinete 56. Antes de que se suelte el cojinete
lineal 26, se activa un dispositivo de sujeción 55 y se enclava
cojinete 56. El dispositivo de fijación 55 se monta en un cilindro
hueco 60, el cual se monta a su vez en una parte rotatoria (externa)
secundaria del cojinete 59. El cojinete 59 tiene un eje de rotación
57 y su parte interna se monta en un carro 4. Debería mencionarse
que de la misma manera que se usa en esta figura la sujeción de
discos de frenado rotatorios, se puede utilizar una hoja de frenado
rectangular lineal para el cojinete lineal 26 a fin de sujetar el
enlace 15 a la parte 26 de cojinete.
La figura 11 es un dibujo esquemático de la
estructura del manipulador de la figura 7, a utilizar para describir
las posibilidades cinemáticas y la reconfiguración del sistema del
brazo. Las juntas están aquí simplemente dibujadas como círculos y
no se muestran ningunas disposiciones de enclavamiento.
Cinemáticamente, la línea 23 a través de las juntas internas 10a y
11a, la línea 62 a través de las juntas externas 10b y 11b, la línea
64 a través de las juntas internas 13a y 14a, y la línea 63 a
través de las juntas externas 13b y 14b deberían ser todas ellas
paralelas para tener un ángulo constante de inclinación de la
plataforma actuada a lo largo de todo el espacio de trabajo. Con
estas relaciones cinemáticas entre las líneas 23. 62, 63 y 64 el
montaje del enlace 12 no es crítico, precisamente forma un ángulo
con respecto a los enlaces 10 y 11 cuando el primer brazo 7 se
proyecta en un plano paralelo al plano definido por las vías 1 y 2
(en la figura este plano es también paralelo al plano
x_{w}y_{w}).
Según lo mostrado en la figura 6, la junta 12b
chocará con la vía 1 cuando el sistema del brazo se manipule en la
dirección derecha de la figura, pero no cuando se manipule en la
dirección izquierda. Esto da un espacio de trabajo menor en la
dirección y_{w} cuando el robot funciona en la dirección derecha.
Para obtener la misma anchura y_{w} del espacio de trabajo en
ambas direcciones, los enlaces 11 y 12 en el primer brazo 7 se
pueden montar como en la figura 12. Ahora ambas juntas 11b y 12b
tienen una desviación con respecto a la línea 62, que pasa a través
de la justa 10b y es paralela a las líneas 23, 63 y 64. Sin embargo,
el montaje del enlace 12 es ahora crítico para mantener al ángulo
constante de inclinación de la plataforma actuada 16.
Los requisitos en cuanto al montaje de los
enlaces 11 y 12 que usan la estructura de brazo en la figura 12 se
definen en la figura 13. La figura 13 muestra por tanto una
proyección del manipulador de la figura 12 en el plano
y_{w}z_{w} y entonces es necesario que las proyecciones de los
enlaces 10, 11 y 12 del primer brazo 7 sean todas paralelas según
lo visto en la figura. En términos más generales, las proyecciones
de los enlaces 10, 11 y 12 se hacen en un plano que es paralelo a
una línea a través de las juntas 13b y 14b. Otro requisito para un
ángulo de inclinación constante de la plataforma actuada 16 es que
el plano definido por las juntas 10b, 11b y 12b esté en un plano
común, el cual sea paralelo a la línea a través de las juntas 13b y
14b (la línea 63 de la figura 12).
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La figura 14 muestra una proyección de la
estructura del brazo de la figura 12 en el plano x_{w}y_{w} y
como se puede ver ambos enlaces 11 y 12 forman un ángulo respecto al
enlace 10 en esta proyección. Por otra parte, las juntas 10b, 11b y
12b forman una línea en esta proyección. En términos más generales,
esta proyección se hace en un plano que es perpendicular a la línea
a través de las juntas 13b y 14b (la línea 63 en la figura 12).
La figura 15 ilustra la reconfiguración según se
veo con una proyección en el plano x_{w}y_{w}. Los diferentes
componentes proyectados en este plano se definen en la Pos1 de la
plataforma actuada y se pueden comparar con los componentes
descritos para la figura 14. La primera vía 1 y la segunda vía 2
definen un primer plano C en el plano x_{w}y_{w}. El primer
brazo 8 es rotativo sobre el eje 23, el cual es perpendicular al
primer plano C. El segundo brazo 7 es rotativo sobre el eje 64, el
cual es perpendicular al primer plano C. El primer y el segundo
brazo están dispuestos rotativos de tal manera que la plataforma 16
es desplazable entre los lados opuestos de un segundo plano D, que
es perpendicular al primer plano C y pasa a través del primer y el
segundo carro 4, 5. El segundo plano D sigue continuamente los
carros 4, 5. Así pues, la dirección del plano D cambia debido a las
posiciones de los carros 4, 5. El primer y el segundo brazo 7, 8
están dispuestos rotativos de tal manera que la plataforma 16 es
movible entre los lados opuestos del segundo plano D. Se define un
tercer plano E perpendicular a la primera y a la segunda vía 1, 2, y
a través de la plataforma 16. El tercer plano E sigue continuamente
la plataforma 16. Así pues, la posición del tercer plano respecto a
las vías 1, 2 cambia debido a la posición de la plataforma.
En una primera posición, Pos1, los brazos 7 y 8
y la plataforma 16 están todos a la izquierda de los carros 4 y 5.
En la primera posición el primer y segundo carro se colocan ambos a
la derecha de la plataforma y por tanto a la derecha del tercer
plano E. Después de actuar el primer carro 5 a la derecha a lo largo
de la vía 2, la plataforma 16 vendrá por encima del carro 4 como se
muestra en Pos2 y yendo más a la derecha con el carro 5 pondrá la
plataforma 16 entre los carros 4 y 5. En una tercera posición, Pos3,
los brazos 7 y 8 han traído la estructura a una singularidad, y se
recomienda lo indicado a continuación para realizar el paso de la
singularidad y para proceder hacia una cuarta posición, Pos4:
- 1)
- Se mueve el robot a una posición cerca de la posición singular. Se cambia el modo de control de la actuación de uno de los carros 4 y 5 al modo de control obediente, lo cual significa que el carro en cuestión se moverá según sea controlado por un resorte y un amortiguador cuando esté sometido a una fuerza externa. Cuando se activa el modo de control obediente, el sistema del brazo cederá algo y para evitar esto, por ejemplo se puede activar el freno 54, 55 de la figura 10, o el mecanismo de enclavamiento 27, 38 de la figura 8d. Esto puede ser necesario si en vez de usar el control obediente se hace una desactivación del control.
- 2)
- se bloquea uno de los enlaces para que no rote sobre sus ejes longitudinales, por ejemplo con el freno 48, 49 de la figura 10, si se utiliza este concepto. Si se utiliza el concepto con una disposición especial de cojinete según la figura 9, se hará automáticamente el enclavamiento de un grado de libertad.
- 3)
- Se hace correr el carro 6 del tercer brazo, no mostrado en la figura, véase en su lugar la figura 13, para mover el primer y el segundo brazos 7 y 8 a través de la singularidad en la Pos3.
- 4)
- Se suelta dicho enclavamiento de uno de los enlaces para rotar sobre sus ejes longitudinales. Se suelta el freno 48, 49 si se utiliza este concepto. Si se utiliza el concepto con un arreglo especial del cojinete según la figura 9, se soltará automáticamente el enclavamiento con un grado de libertad.
- 5)
- Se reinicia el control ordinario de la posición del carro, para el cual se cambió anteriormente en 1 el modo de control.
- 6)
- Se suelta el freno 54, 55 de la figura 10 o el mecanismo de enclavamiento 27, 38 de la figura 8d si éstos fueron bloqueados según 1) para evitar que el sistema de brazo cediera cuando se utilizó el control obediente para uno de los carros 4 y 5.
- Ahora el carro 6 está en el lado incorrecto de la plataforma 16 y por tanto es necesario mover el carro 6 devolviéndolo al otro lado. Entonces, sin embargo, la plataforma 16 será manipulada fuertemente hacia abajo y si hay un objeto en el espacio de trabajo, puede ocurrir una colisión. Para evitar esto, se permite que el enlace 15 del tercer brazo se mueva con respecto a su junta interna en una dirección a lo largo de los ejes longitudinales del enlace.
- 7)
- Se bloquea uno de los enlaces del primer o del segundo brazo para que no se mueva en una dirección perpendicular a un plano que pasa por la primera y la segunda vías, por ejemplo activando el freno 54, 55 de la figura 10, o el mecanismo de enclavamiento 27, 38 de la figura 8d.
- 8)
- Se permite que el enlace 15 se mueva con respecto a su junta interna 15a, por ejemplo soltando la unidad de enclavamiento 24, 25 de la figura 8a.
- 9)
- Se mueve el carro 6 al otro lado de la plataforma actuada 16.
- 10)
- Se bloquea la unidad de enclavamiento 24, 25 en la figura 8a. Esto se debe hacer en una posición exacta del carro 6 o se conmuta la actuación del carro 6 al control obediente y el mecanismo de enclavamiento bloquea el enlace 15 en una posición de sujeción de precisión.
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- 11)
- Se suelta dicho enclavamiento de uno de los enlaces del primer o del segundo brazo para que se mueva en una dirección perpendicular a un plano que pasa por la primera y la segundas vía, soltando el freno 54, 55 de la figura 10 o el mecanismo de enclavamiento 27, 38 de la figura 8d.
- 12)
- Se mueven al primer y el segundo carro 4, 5 el uno con respecto al otro, hasta el robot alcanza una quinta posición, Pos5 en la cual tanto el primer como el segundo carro se colocan ambos en el lado izquierdo del tercer plano E que pasa a través de la plataforma,
Las actividades 1-12 anteriores
se pueden controlar para que sean muy rápidas pero la precisión y la
rigidez del manipulador no se mantendrán durante el paso de la
singularidad en la Pos3. La figura 15 muestra también los brazos 7
y 8 para las posiciones Pos4 y Pos5 de la plataforma y como puede
verse la plataforma puede moverse entre ambas vías 1 y 2 y en el
exterior en los extremos de las vías. Esto significa que este
manipulador tendrá un espacio de trabajo mayor en relación con el
tamaño del manipulador que un robot convencional de pórtico con
cinemática en serie. El espacio de trabajo es mostrado por la línea
de trazo discontinuo 17b.
Una forma de conseguir librarse del problema de
colisión mostrado en la figura 6 y que fue solucionado hasta un
cierto grado con el diseño de la plataforma de la figura 13, es
utilizar los brazos en los carros como se ve en la figura 16. En la
figura, los carros 5 y 5 tienen unos brazos 4a y 5a, mientras que el
carro 6 no necesita ningún brazo. Simultáneamente, las vías 1, 2 y
3 se han montado cercanas unas a otras. Ahora no hay vías 1 y 2 que
choquen con la plataforma 16, y los brazos 7 y 8 pueden oscilar
alejados en las direcciones más y menos y_{w}. Con los brazos 4a
y 5a del carro será posible también configurar de nuevo el
manipulador incluso si las longitudes de los brazos 4a y 5a de los
carros son mayores que la distancia más corta entre las líneas 23 y
64. Este diseño del manipulador no es tan rígido como los
manipuladores mostrados hasta ahora. Esto depende del hecho de que
los brazos 4a y 5a del carro se doblarán en respuesta a las fuerzas
de los brazos 7 y 8. Este doblado también dará problemas de rigidez
para los cojinetes lineales entre los carros 4 y 5 y las vías sobre
las que éstos se montan.
Hasta ahora, el enlace 15 ha sido manipulado por
un carro 6 en una vía 3 paralela a las vías 1 y 2, y para
configurar de nuevo el enlace 15a fueron introducidos un cojinete
lineal 26 y un mecanismo de enclavamiento 24, 25. Para librarse de
esta disposición se puede usar la solución de acuerdo con la figura
17. Aquí, se integra un actuador lineal en el enlace 15. De este
modo, el enlace 15 comprende una porción 15c montada en el carro 5
con la junta 15a y una segunda parte 15d montada en la plataforma
actuada con la junta 15b. Las partes 15c y 15d son actuadas para
moverse la una con respecto a la otra para controlar la distancia
entre las juntas 15a y 15b. Para poder hacer una reconfiguración de
los brazos 7 y 8 es necesaria una distancia DX en la dirección
x_{x}, entre las juntas 15a y 13a.
Para poder realizar la reconfiguración 55 y
simultáneamente tener un equilibrado del sistema del brazo, es
necesaria una disposición especial para evitar colisiones entre un
contrapeso de equilibrio y las vías. Así, la figura 18 muestra cómo
un contrapeso de equilibrio 67 en la palanca 66 se conectado con el
enlace 11 a través de una caja de engranajes de una etapa con unos
engranajes 65a y 65b. Con esta disposición, el peso 67 se moverá
hacia arriba cuando la plataforma 16 se mueva hacia abajo y
viceversa. Por supuesto, se pueden también utilizar mecanismos de
resorte se para el equilibrado, pero es difícil obtener la misma
exactitud de compensación con un sistema basado en resorte de
equilibrio en sentido contrario.
Hay muchas aplicaciones para el manipulador
cinemático paralelo con funcionalidad de reconfiguración descrito
en esta solicitud de patente. Son ejemplos el escariado, taladrado,
pulido, fresado, eliminación de cordones, eliminación de rebabas,
manipulación de materiales, montaje, desmontaje, corte por láser,
mediciones y cuidado de máquinas. La figura 19 muestra un ejemplo
de una aplicación potencial. Aquí las vías 1, 2 y 3 son verticales
y los manipuladores 68 y 69 comprenden las estructuras triangulares
de soporte montadas en las bases 73, que son movibles con cojinetes
o ruedas de aire. En esta aplicación, las estructuras de soporte se
sujetan al accesorio 70 de objeto por medio de mecanismos de
sujeción 72. Después de sujetar, se puede mover la plataforma
actuada 16 a los puntos de calibración 74 en el accesorio o en el
propio objeto 71 para calibrar el manipulador al accesorio y al
objeto. En la figura, dos manipuladores 68 y 69 trabajan enfrente el
uno al otro a cada lado del objeto 71. Por ejemplo el manipulador
69 taladra en alerones de un avión, mientras que el manipulador 68
tiene una herramienta para contrarrestar las fuerzas causadas por el
proceso de taladrado. El sistema del brazo de los robots puede por
ejemplo al principio taladrar agujeros cuando está en una
configuración en la que la plataforma actuada trabaja hacia arriba
y luego perforar agujeros cuando la plataforma trabaja hacia abajo,
después de una reconfiguración. Algunas de las ventajas de usar este
tipo de manipulador son: peso ligero, costo bajo, alta rigidez,
especialmente con los mecanismos de sujeción 72, facilidad de
desplazamiento de uso adonde se necesite, seguridad puesto que el
espacio de trabajo está dentro de la estructura de soporte para las
vías, alta precisión, y puede alcanzar una gran rapidez debido a una
masa móvil baja.
El robot según la invención comprende una unidad
de control que tiene a memoria, uno o varios procesadores y otros
equipos necesarios para controlar el movimiento del robot. La unidad
de control comprende un software para realizar todas las etapas
mencionadas previamente para realizar la reconfiguración del robot,
es decir para mover la plataforma y los enlaces del primer y del
segundo brazos entre los lados opuestos del segundo plano que pasa
a través del primer y del segundo carros 4, 5.
La figura 20 muestra unas estructuras
alternativas de enlace de los brazos 7 y 9, que también hacen
posible la reconfiguración del robot. El enlace 10 se ha movido
aquí desde el brazo 7 al brazo 9 y es paralelo al enlace 15 y tiene
la misma longitud que el enlace 15. Debería observarse que para
limitar la totalidad de los 6 DOF de la plataforma sólo con las
fuerzas axiales en los seis enlaces, hay restricciones en el montaje
de las juntas en el bastidor 16 de la plataforma. Se define una
línea 75 como que pasa por los centros cinemáticos de las juntas
11b y 12b, una línea 76 que pasa por los centros de las juntas 13b y
14b, una línea 77 que pasa por los centros de las juntas 10b y 15b,
y finalmente una línea 78 que pasa por los centros de las juntas 10a
y 15a. Las líneas 77 y 78 son paralelas aun cuando la figura no
muestre esto correctamente. Las limitaciones en el montaje de los
enlaces en la plataforma son: no se permite que las líneas 75 y 76
sean paralelas y se logra el montaje más rígido (en tanto sea
posible desde una singularidad) cuando las líneas 77 y 78 son
ortogonales la una a la otra. Además, la línea 77 no debe ser
paralela a ninguna de las líneas 75 y 76. Se obtiene el montaje más
rígido cuando la línea 77 tiene 45 grados con respecto a la línea 75
y 90 grados con respecto a la línea 76 según lo mostrado en la
figura.
La presente invención no se limita a las
realizaciones descritas sino que se puede variar y modificar dentro
del alcance de las reivindicaciones siguientes.
Claims (23)
1. Un robot industrial para el movimiento de un
objeto en el espacio que comprende:
- -
- una plataforma (16) dispuesta para portar el objeto,
- -
- un primer brazo (7) dispuesto para influenciar la plataforma en un primer movimiento y que comprende un primer actuador que tiene una primera vía (1) y un primer carro (4) desplazable linealmente a lo largo de la primera vía, y un primer (11) y un segundo (12) enlaces, comprendiendo cada enlace una junta externa (11b, 12b) conectada con la plataforma y una junta interna (11a, 12a) conectada con el primer carro,
- -
- un segundo brazo (8) dispuesto para influenciar la plataforma en un segundo movimiento, que comprende un segundo actuador que tiene una segunda vía (2) y un segundo carro (5) desplazable linealmente a lo largo de la segundo vía, y dos enlaces (13, 14) comprendiendo cada enlace una junta externa (13b, 14b) conectada con la plataforma y una junta interna (13a, 14a) conectada con el segundo carro,
- -
- un tercer brazo (9) dispuesto para influenciar la plataforma en un tercer movimiento, que comprende un tercer actuador y al menos un enlace (15) que comprende una junta externa (15b) conectada con la plataforma y una junta interna (15a) conectada con el tercer actuador, y
- -
- una unidad de control que controla los movimientos de la plataforma,
caracterizado porque
- -
- el primer enlace (11) del primer brazo está dispuesto con su eje longitudinal no paralelo al eje longitudinal del segundo enlace (12) del primer brazo,
- -
- el primer brazo está dispuesto rotativo alrededor de al menos un eje perpendicular a un primer plano (C) que comprende la primera y segunda vías,
- -
- el segundo brazo está dispuesto rotativo alrededor de al menos un eje perpendicular a dicho primer plano,
- -
- el primer y el segundo brazos están dispuestos rotativos de tal manera que la plataforma es movible entre los lados opuestos de un segundo plano (D) perpendicular a dicho primer plano y que pasa a través del primer y del segundo carros y que los sigue continuamente, y
- -
- dicha unidad de control comprende unos medios de control adaptados para realizar, al recibir una orden, una reconfiguración de la plataforma y de los brazos del robot, donde la reconfiguración comprende desplazar la plataforma entre los lados opuestos de dicho segundo plano.
2. Un robot industrial según la reivindicación
1, caracterizado porque la distancia entre la junta interna
(11a) del primer enlace, y la junta interna (12a) del segundo enlace
es más corta que la distancia entre la junta externa (11b) del
primer enlace y la junta externa (12b) del segundo enlace.
3. Un robot industrial según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las juntas
internas (11a, 12a) del primer y del segundo enlaces del primer
brazo están dispuestas a cierta distancia la una de la otra en una
dirección perpendicular a dicho primer plano.
4. Un robot industrial según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las juntas
internas (11a, 12a) del primer y del segundo enlace del primer brazo
están dispuestas a lo largo de una línea común (23), que es
perpendicular a dicho primer plano.
5. Un robot industrial según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho
primer brazo comprende un tercer enlace (10) que comprende una
junta externa (10b) conectada con la plataforma y una junta interna
(10a) conectada con el primer carro.
6. Un robot industrial según las
reivindicaciones 4 y 5, caracterizado porque la junta interna
(10a) del tercer enlace también está dispuesta a lo largo de dicha
línea común (23).
7. Un robot industrial según la reivindicación 4
ó 6, caracterizado porque las juntas internas (13a, 14a) del
segundo brazo están dispuestas a lo largo de una línea (64) que se
paralela a dicha línea común (23) a lo largo de la cual están
dispuestas dichas juntas del primer brazo.
8. Un robot industrial según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la junta
interna (11a) del primer enlace y la junta interna (11b) del segundo
enlace son una única junta común.
\newpage
9. Un robot industrial según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque uno los
enlaces está dotado de un mecanismo de enclavamiento (48, 49), el
cual, al proceder a su activación, evita que el enlace gire sobre
su eje longitudinal.
10. Un robot industrial según la reivindicación
9, caracterizado porque dicho mecanismo de enclavamiento (48,
49) está dispuesto para evitar que el enlace gire sobre su eje
longitudinal cuando el robot pasa a través de una singularidad
durante una reconfiguración.
11. Un robot industrial según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque tanto la
junta interna y como la externa de uno de los enlaces están
dispuestas movibles en solamente dos grados de libertad, y dicho un
enlace está dotado de un juego (43, 44) dispuesto para asumir los
movimientos rotatorios de menor importancia sobre el eje
longitudinal del enlace.
12. Un robot industrial según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho
enlace (15) del tercer brazo está dotado de una unidad de
enclavamiento (24, 25) que tiene un estado bloqueado, en el cual el
enlace es fijo con respecto a su junta interna (15a), y un estado
abierto, en el cual se permite al enlace moverse con respecto a su
junta interna en una dirección a lo largo del eje longitudinal del
enlace.
13. Un robot industrial según cualquiera de las
reivindicaciones 1-11, caracterizado porque
el enlace (15c, 15d) del tercer brazo está dispuesto con una
longitud ajustable, y el tercer brazo (9) incluye un actuador
adaptado para controlar la longitud del enlace.
14. Un robot industrial según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque uno de los
enlaces del primer o del segundo brazos está dotado de un miembro de
enclavamiento (27, 38; 54, 55), que al proceder a su activación
evita que el enlace se mueva en una dirección perpendicular al
primer plano.
15. Un robot industrial según la reivindicación
14, caracterizado porque dicho miembro de enclavamiento (27,
38; 54, 55) está dispuesto para bloquear una de las juntas de dicho
enlace dotado del miembro de enclavamiento, evitando que giren
alrededor de unos ejes paralelos al primer plano.
16. Un robot industrial según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los dos
enlaces (13, 14) del segundo brazo tienen esencialmente la misma
longitud y está dispuesto con sus ejes longitudinales en
paralelo.
17. Un robot industrial según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos
dos de los enlaces (10, 11, 12) del primer brazo están dispuestos de
modo que, desde al menos un punto de vista, estén en paralelo.
18. Un robot industrial según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos
dos de los enlaces (10, 11, 12) del primer brazo tienen
esencialmente la misma longitud.
19. Un robot industrial según la reivindicación
5 ó 6, caracterizado porque el primer, el segundo y el tercer
enlaces (10, 11, 12) están dispuestos de modo que, desde al menos
un punto de vista, estén en paralelo.
20. Un método para la reconfiguración de un
robot industrial según la reivindicación 1, que comprende una
plataforma (16) dispuesta para llevar un objeto, un primer brazo (7)
dispuesto para influenciar la plataforma en un primer movimiento,
que comprende un primer actuador que tiene una primera vía (1) y un
primer carro (4) desplazable linealmente a lo largo de la primera
vía, y al menos dos enlaces, comprendiendo cada enlace una junta
externa (11b, 12b) conectada con la plataforma y una junta interna
(11a, 12a) conectada con el primer carro, el primer enlace del
primer brazo está dispuesto con su eje longitudinal no paralelo al
eje longitudinal del segundo enlace del primer brazo, un segundo
brazo (8) dispuesto para influenciar la plataforma en un segundo
movimiento, comprendiendo un segundo actuador que tiene una segunda
vía (2) y un segundo carro (5) desplazable linealmente a lo largo
de la segunda vía, y al menos dos enlaces (l3, 14), comprendiendo
cada enlace una junta externa conectada con la plataforma y una
junta interna conectada con el segundo carro, y un tercer brazo
dispuesto para influenciar la plataforma en un tercer movimiento, y
el primer y el segundo brazos están dispuestos movibles de tal
manera que la plataforma sea movible entre los lados opuestos de un
segundo plano que pasa a través del primer y del segundo carros y
los sigue continuamente y perpendicular a un primer plano que
comprende la primera y la segunda vías, donde el robot está en una
primera posición, en la cual la plataforma se coloca en un primer
lado de dicho segundo plano que pasa a través del primer y del
segundo carros, y el método comprende:
- -
- mover el robot a una segunda posición moviendo al menos el primer y el segundo brazos el uno respecto al otro hasta que la plataforma se coloque cerca de dicho segundo plano, - mover el robot a una tercera posición moviendo al menos el tercer brazo de modo que el primer y el segundo brazos coincidan con dicho segundo plano, y
- -
- mover el robot a una cuarta posición moviendo al menos el tercer brazo para colocar la plataforma en un segundo lado de dicho segundo plano.
21. El método según la reivindicación 20, donde
el método comprende:
- -
- mover al menos al primer y el segundo carros hasta que el robot alcance dicha segunda posición,
- -
- bloquear uno de los enlaces para que no gire sobre su eje longitudinal,
- -
- mover al menos el tercer brazo hasta que el robot alcance dicha cuarta posición, y
- -
- soltar dicho enclavamiento de uno de los enlaces para que pueda girar sobre su eje longitudinal.
22. El método según la reivindicación 20 ó 21,
donde el tercer brazo comprende un tercer actuador y al menos un
enlace que comprende una junta externa conectada con la plataforma y
una junta interna conectada con el tercer actuador, y cuando el
robot está en dicha primera posición la junta interna del enlace del
tercer brazo se coloca en un primer lado de un tercer plano
perpendicular a la primera y a la segunda vías, y que pasa a través
de la plataforma y la sigue continuamente, y el método comprende
adicionalmente:
- -
- mantener el enlace del tercer brazo en una relación fija con respecto a su junta interna hasta que el robot haya pasado dicha tercera posición, y cuando el robot haya pasado dicha tercera posición,
- -
- bloquear uno de los enlaces del primer o del segundo brazos para que no se desplace en una dirección perpendicular al primer plano,
- -
- permitir que el enlace del tercer brazo se mueva con respecto a su junta interna en una dirección a lo largo de los ejes longitudinales del enlace,
- -
- mover la junta interna del enlace del tercer brazo a dicho segundo lado de dicho tercer plano,
- -
- bloquear el enlace del tercer brazo en una relación fija con respecto a su junta interna, y
- -
- soltar dicho enclavamiento de uno de los enlaces del primer o del segundo brazos para que se mueva en una dirección perpendicular al primer plano.
23. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 20-22, donde los movimientos de al
menos uno del primer y del segundo brazos estén controlados por un
servocontrol obediente durante el paso de dicha tercera posición
del robot.
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