ES2262428B1 - Robot paralelo de cuatro grados de libertad con rotacion ilimitada. - Google Patents
Robot paralelo de cuatro grados de libertad con rotacion ilimitada. Download PDFInfo
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Abstract
Robot paralelo de cuatro grados de libertad. El robot de la invención, tal y como se observa en la figura 1, está compuesto por dos niveles (I), (II), cada uno de los cuales comprende: - Dos actuadores (1), (2) unidos a un soporte o columna fija (3). - Dos brazos (4), (8), dispuestos en posición horizontal, unidos por uno de sus extremos, a los actuadores (1), (2) respectivamente. - Dos brazos (5), (9) unidos articuladamente, a través de uno de sus extremos, al extremo libre de los brazos (4), (8) respectivamente, y por su otro extremo, unidos entre sí en un punto (6), definiendo un paralelogramo articulado. Cada uno de los puntos (6) se desplaza en un plano horizontal, con dos grados de libertad. El punto (6) del nivel (I) y el punto (6) del nivel (II) se unen a través de un mecanismo de acoplamiento (7), realizándose una de las uniones mediante una junta de revolución y la otra mediante una junta cilíndrica. En el punto (6) que incorpora la junta cilíndrica, se monta la herramienta (10) que puede desplazarse con cuatro grados de libertad, tres translaciones y una rotación según un eje vertical, siendo este giro un giro completo e ilimitado.
Description
Robot paralelo de cuatro grados de libertad con
rotación ilimitada.
Es objeto de la invención un robot paralelo, con
cuatro grados de libertad, con capacidad de realizar una rotación
completa e ilimitada, sin emplear mecanismos de amplificación
adicionales.
El robot objeto de la invención es de especial
aplicación para operaciones de pick&place.
En las tareas de pick&place en las cuales la
velocidad de trabajo no está limitada por el propio proceso, como
por ejemplo en las operaciones de corte, fresado, etc., la
tendencia es utilizar robots de muy alta velocidad.
Los robots utilizados para la manipulación de
piezas están comprendidos en tres grandes grupos, como son:
\vskip1.000000\baselineskip
Estos robots están compuestos por tres uniones
prismáticas cuyos ejes coinciden con un volumen cartesiano que
define el área de trabajo de los mismos.
Este tipo de robots es utilizado principalmente
para la manipulación de grandes cargas y cada día menos en las
tareas de pick&place destinadas a mover pequeñas cargas, pero a
gran velocidad.
Este tipo de robots es muy utilizado cuando se
necesitan grandes desplazamientos respecto de uno de los ejes.
\vskip1.000000\baselineskip
Los robots mas utilizados en las tareas de
pick&place son los robots denominados SCARA, del inglés
SELECTIVE COMPLIANCE AUTOMATIC ROBOT ARM, que son robots de brazo
automático, con cuatro grados de libertad en los cuales el brazo
del robot está unido a una base que puede ir atornillada a un
pedestal. Sobre esta base se dispone una columna y unido a esta
columna, y en un plano perpendicular a la misma (plano horizontal),
se monta un brazo que puede girar respecto al eje vertical de la
columna. Sobre el extremo de este primer brazo se monta un segundo
brazo, también dispuesto en un plano horizontal, que puede girar
accionado desde la misma columna y en cuyo extremo libre se dispone
la herramienta correspondiente. La herramienta está unida al
segundo brazo a través de un accionamiento o
tuerca-husillo vertical, que permite controlar la
orientación de la herramienta y su translación a lo largo del eje
vertical.
\vskip1.000000\baselineskip
Estos robots tienen cuatro grados de libertad y,
en concreto, la rotación del brazo inferior en el plano horizontal,
la rotación del brazo superior en el plano horizontal, la rotación
de la herramienta y la translación vertical de la herramienta, es
decir, se consiguen tres translaciones y un giro.
Estos robots presentan dos problemáticas
principales:
- -
- La disposición de la unión más cercana a la herramienta limita el curso vertical que se puede obtener.
- -
- El actuador del brazo inferior suele ir colocado en la base del robot, mientras que el resto de actuadores van montados en los brazos, lo que incrementa el valor de la masa a mover y empeora la dinámica del robot, disminuyendo su velocidad de trabajo.
Una alternativa al robot SCARA es el llamado
"DOBLE SCARA" que al igual que los robots SCARA, incorpora una
columna que se atornilla a un pedestal a través de su base pero,
con la diferencia de que sobre la columna se montan dos brazos
independientes, en posición horizontal, que pueden girar en torno a
un eje vertical. Los brazos se encuentran en planos paralelos entre
sí y en sus extremos se montan otros dos brazos, horizontales, que
pueden girar respecto a los brazos unidos a la columna. Los dos
últimos brazos se unen entre sí por sus extremos libres, formando
un paralelogramo articulado.
En el extremo de unión de estos dos brazos, se
dispone la herramienta mediante un accionamiento
tuerca-husillo, que permite el giro de la
herramienta y la translación en el eje vertical.
A diferencia del SCARA simple, los dos
actuadores de los brazos se encuentran en la base del robot.
El principal inconveniente de los robots doble
SCARA, es su limitada zona de trabajo.
Robots tipo SCARA se describen por ejemplos en
las Patentes japonesas 2003275977, 2003275978, 2003275979 y
2003759787 o en las Patentes estadounidenses 4.693.666, 6.086.442,
6.212.968, 6.354.167 y 2002/0102155.
\vskip1.000000\baselineskip
Estos robots también son utilizados para tareas
de pick&place y tienen como característica principal el hecho
de que todos los actuadores se montan sobre una estructura fija,
reduciéndose así la masa de los elementos móviles.
El primer robot conocido de este tipo se
describe en la Patente US 4.976.582. Este robot está compuesto por
tres cadenas cinemáticas articuladas por uno de sus extremos a una
plataforma móvil que porta la herramienta correspondiente y por su
otro extremo, a través de una junta de rotación, a un actuador
solidario a una estructura fija o placa base. Este tipo de robot
tiene tres grados de libertad, obteniéndose el cuarto grado de
libertad, montando la herramienta en la plataforma mediante un
brazo telescópico.
\vskip1.000000\baselineskip
Un robot de este tipo pero mas evolucionado se
describe en la Patente Europea 1 084 802 que tiene por objeto un
robot paralelo en el cual todas las uniones de la plataforma móvil
son del tipo articulación, siendo éste un factor favorable para
alcanzar altas velocidades y aceleraciones. Este robot comprende
cuatro cadenas cinemáticas accionadas mediante cuatro actuadores
que están fijados por uno de sus extremos y con una orientación
específica a la placa base y por su otro extremo a la cadena
cinemática. Las cadenas cinemáticas, a su vez, están unidas a la
plataforma móvil que porta la herramienta, estando la plataforma
móvil constituida por dos piezas o barras que se unen en sus
extremos a las cuatro cadenas cinemáticas y una tercera barra que
se monta entre las dos primeras, a través de dos uniones
articuladas, siendo esta barra la que porta la herramienta.
La plataforma móvil permite una rotación de
\pm 45º que se puede amplificar mediante el empleo de coronas
dentadas.
El diseño específico de la plataforma móvil y el
empleo de uniones articuladas conlleva a obtener una configuración
isostática e impone una disposición de las cadenas cinemáticas, y
como consecuencia de los actuadores, no homogénea. Esta disposición
particular de los actuadores unido a la configuración isostática
impide que el robot tenga un comportamiento homogéneo y rigidez en
todo el volumen de trabajo, lo cual supone una importante
desventaja.
Para las tareas de pick&place, se requieren
cuatro grados de libertad, pero ninguno de los robots o
manipuladores mencionados es capaz de obtener una rotación completa
sin emplear mecanismos adicionales, como por ejemplo:
- -
- En los robots tipo delta, según la Patente US 4.976.582 se requiere un brazo telescópico en el montaje de la herramienta.
- -
- En los robots del tipo descrito en la EP 1 084 802 se requiere un sistema de amplificación o transformación del movimiento mediante poleas, coronas dentadas, etc.,
- -
- Un sistema con tuerca-husillo en los robots tipo SCARA.
El robot paralelo objeto de la invención está
compuesto por dos niveles paralelos, cada uno de los cuales
comprende dos actuadores unidos a un soporte y al menos dos brazos
unidos entre sí articuladamente y accionados por los actuadores,
que definen en un extremo de uno de los brazos un punto que puede
desplazarse con dos grados de libertad. Estos dos puntos de cada
uno de los niveles están unidos mediante un sistema mecánico y la
herramienta está montada en uno de los dos puntos, consiguiendo así
cuatro grados de libertad en el extremo de la herramienta, tres
translaciones y una rotación alrededor de un eje vertical.
El sistema mecánico dispuesto entre los puntos
que se desplazan con dos grados de libertad en cada nivel, está
unido a uno de los niveles mediante una junta de revolución,
mientras que al otro nivel se une a través de una junta cilíndrica,
siendo en esta última unión donde se monta la herramienta. El
elemento mecánico puede ser una barra articulada o un elemento
elástico como por ejemplo un cable.
La principal ventaja de este robot es que la
herramienta pueda realizar una rotación completa e ilimitada sin
necesidad de utilizar mecanismos adicionales.
Todas las juntas del robot son de tipo
revolución, cilíndrico o esférico, todas ellas favorables para
alcanzar altas aceleraciones y altas velocidades lo que le hace ser
al robot especialmente adecuado para tareas de pick and place.
Los brazos de uno de los niveles pueden estar
actuados independiente y directamente por los dos actuadores, al
modo de los robots SCARA, pudiendo estar los actuadores dispuestos
en vertical uno sobre el otro, con un eje vertical común, o bien en
paralelo con ejes verticales paralelos.
El robot puede incorporar, al menos en uno de
los niveles, dos brazos adicionales, de forma que dos de los brazos
se unen directamente a los actuadores y los otros dos
articuladamente a los brazos unidos a los actuadores, uniéndose
finalmente por su extremo libre en un punto que es el que se
desplaza con dos grados de libertad. En este caso, dos de los brazos
están unidos directamente a los actuadores y los otros dos son
arrastrados por los primeros.
Asimismo, en uno de los niveles, las barras que
se unen para constituir el punto que se desplaza con dos grados de
libertad, pueden estar formadas por un paralelogramo constituido
mediante uniones esféricas y unido a los brazos montados en los
actuadores, mediante uniones de revolución.
Finalmente, los actuadores pueden ser de
revolución o guías lineales. En caso de que los actuadores sean
guías lineales, deben disponerse con sus ejes en paralelo.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, 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:
Figura 1.- Muestra una perspectiva del robot
objeto de la invención según una realización en la cual cada uno de
los niveles está compuesto por cuatro barras que definen un
paralelogramo articulado.
Figura 2.- Muestra una perspectiva de una
variante de realización del robot de la figura 1 en el cual dos de
las barras de uno de los niveles están formadas por paralelogramos
espaciales unidos por uniones esféricas.
Figura 3.- Muestra una variante de las figuras 1
y 2, en las cuales los actuadores de un mismo nivel están montados
según ejes verticales paralelos.
Figura 4.- Muestra una realización del robot de
la invención, en el que cada uno de los niveles está compuesto por
dos barras que están actuadas de forma directa e independiente por
los dos actuadores de su nivel.
Figura 5.- Muestra un robot de acuerdo con el
objeto de la invención en el cual los actuadores son guías
lineales.
Figura 6.- Muestra uno de los niveles de un
robot según el objeto de la invención en el cual el punto que se
desplaza con dos grados de libertad está situado en un punto
intermedio de uno de los brazos.
El robot de la invención, tal y como se observa
en la figura 1, está compuesto por dos niveles (I), (II), cada uno
de los cuales comprende:
- -
- Dos actuadores (1), (2) unidos a un soporte o columna fija (3).
- -
- Dos brazos (4), (8), dispuestos en posición horizontal, unidos por uno de sus extremos, a los actuadores (1), (2) respectivamente.
- -
- Dos brazos (5), (9) unidos articuladamente, a través de uno de sus extremos, al extremo libre de los brazos (4), (8) respectivamente, y por su otro extremo, unidos entre sí en un punto (6), definiendo un paralelogramo articulado.
Cada uno de los puntos (6) se desplaza en un
plano horizontal, con dos grados de libertad.
El punto (6) del nivel (I) y el punto (6) del
nivel (II) se unen a través de un mecanismo de acoplamiento (7),
realizándose una de las uniones mediante una junta de revolución y
la otra mediante una junta cilíndrica.
En el punto (6) que incorpora la junta
cilíndrica, se monta la herramienta (10) que puede desplazarse con
cuatro grados de libertad, tres translaciones y una rotación según
un eje vertical, siendo este giro un giro completo.
En la figura 2 se ha representado una variante
alternativa al robot de la figura 1 en el cual, en uno de los
niveles, las barras (5), (9) están constituidas por paralelogramos
formados por barras (11) unidas a través de juntas esféricas (12),
y que se unen a las barras (4), (8) mediante uniones de
revolución.
En las realizaciones mostradas en las figura 1 y
2, los actuadores están montados en el soporte (3), en disposición
vertical, según un eje vertical común. En la figura 3, se ha
representado un robot de estas mismas características en el cual
los actuadores de un mismo nivel están dispuestos según ejes
verticales distintos.
En la figura 4 se representa una variante de
realización en la cual se han eliminado las barras (8), (9),
estando las barras (4), (5) actuadas de forma independiente y
directa por los actuadores (1), (2) respectivamente, de forma
similar a los robots tipo SCARA. En la figura 4 se ha representado
un robot con esta configuración en los dos niveles (I), (II) pero,
obviamente, el robot podría estar constituido por un nivel con dos
brazos (4), (5) actuados directamente y otro nivel con cuatro
brazos (4), (5), (8), (9) articulados según las realizaciones
descritas en las figuras 1, 2 ó 3.
En las realizaciones mostradas en las figuras 1
a 4, los actuadores (1), (2) están unidos a las barras (4), (8)
mediante uniones de revolución. En una realización alternativa, los
actuadores podrían estar constituidos por guías lineales (13), en
cuyo caso deberán estar dispuestos con sus ejes paralelos tal y
como se observa en la figura 5. Por supuesto, los actuadores
mediante guías lineales pueden utilizarse en los dos niveles (I),
(II) o bien únicamente en uno de ellos, utilizándose en el otro
nivel uniones de revolución.
Finalmente, sería posible que la unión entre las
barras (5), (9) no se realiza a través de sus extremos, sino que en
una de las barras se una en un punto intermedio (14) tal y como se
observa en la figura 6.
Claims (14)
1. Robot paralelo de cuatro grados de libertad
compuesto por un primer nivel (I) y un segundo nivel (II), cada uno
de los cuales comprende:
- Dos actuadores (1), (2) unidos a un soporte
(3) y
- Al menos dos brazos (4), (5), unidos entre sí,
y accionados por los actuadores (1), (2), de tal forma que un
extremo (6) en uno de los brazos (4), (5) se desplaza
horizontalmente con dos grados de libertad, estando el primer nivel
(I) y el segundo nivel (II) dispuestos en paralelo y los extremos
(6) del primer nivel (I) y del segundo nivel (II) unidos a través de
un mecanismo de acoplamiento mecánico (9), montándose la
herramienta (10) en uno de los extremos (6).
2. Robot paralelo de cuatro grados de libertad,
según reivindicación 1, caracterizado porque los brazos (4),
(5), de al menos uno de los niveles (I) (II), están actuados de
forma directa e independiente por los actuadores (1) y (2).
3. Robot paralelo de cuatro grados de libertad,
según reivindicación 1, caracterizado porque al menos uno de
los niveles (I), (II) comprende dos brazos adicionales (8), (9),
estando los brazos (4) y (8) unidos, por uno de sus extremos, a los
actuadores (1) y (2), y por su otro extremo, a los brazos (5), (9)
que, se unen entre sí por su extremo libre para definir el
correspondiente extremo (6), formando así un paralelogramo
articulado cuyo extremo (6) se desplaza con dos grados de libertad
en un plano horizontal.
4. Robot paralelo de cuatro grados de libertad,
según reivindicación 3, caracterizado porque las uniones
entre los brazos (4), (5), (8), (9) son de revolución.
5. Robot paralelo de cuatro grados de libertad,
según reivindicación 3, caracterizado porque en al menos uno
de los niveles (I), (II), los brazos (5) y (9) están formados por
un paralelogramo compuesto por cuatro barras (11), unidas entre sí
mediante juntas esféricas (12) a los brazos (4) y (8), a través de
una uniones de revolución.
6. Robot paralelo de cuatro grados de libertad
según reivindicación 1, caracterizado porque los actuadores
(1) y (2) de al menos uno de los niveles (I), (II) son actuadores
de revolución.
7. Robot paralelo de cuatro grados de libertad
según reivindicación 1, caracterizado porque los actuadores
(1) y (2) de al menos uno de los niveles (I), (II) son actuadores
lineales, con sus ejes paralelos.
8. Robot paralelo de cuatro grados de libertad
según reivindicación 1, caracterizado porque los actuadores
(1) y (2) de al menos uno de los niveles (I), (II) están dispuestos
uno encima de otro, con un eje vertical común.
9. Robot paralelo de cuatro grados de libertad
según reivindicación 1, caracterizado porque los actuadores
(1) y (2) de al menos uno de los niveles (I), (II) están dispuestos
en paralelo, con ejes verticales distintos.
10. Robot paralelo de cuatro grados de libertad
según reivindicación 1, caracterizado porque el mecanismo de
acoplamiento mecánico (7) está unido a los extremos (6) de uno de
los niveles mediante una unión de revolución y al extremo (6) del
otro nivel mediante una unión cilíndrica.
11. Robot paralelo de cuatro grados de libertad
según reivindicación 10, caracterizado porque el mecanismo
de acoplamiento mecánico está constituido por un brazo
articulado.
12. Robot paralelo de cuatro grados de libertad
según reivindicación 10, caracterizado porque el mecanismo
de acoplamiento está constituido por un elemento flexible.
13. Robot paralelo de cuatro grados de libertad
según reivindicación 3, caracterizado porque las barras (5)
y (9) de al menos uno de los niveles (I) y (II) están unidas en un
punto intermedio de una de ellas.
14. Robot paralelo de cuatro grados de libertad
según reivindicación 1, caracterizado porque el soporte (3)
está unido al suelo mediante un acoplamiento rotativo que permite
el giro del robot respecto de un eje vertical.
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| Title |
|---|
| F. PIERROT-O. COMPAY: "H4:a new family of 4-DOF parallel robots" 1999 IEE/ASME INTERNATIONAL CONFERENCE ON ADVANCE INTELLIGENT MECHATRONICS (CAT. NO 99TH8399), ATLANTA, GA, USA, 19-23 SEPT, 1999, páginas 508-513. * |
| YUEFA FANG, LUNG-WEN TSAI: "Structure Synthesis of a Class of 4-DOF and 5-DOF Parallel Manipulators with Identical Limb Structures" The International Journal of Robotcs Research, Vol 21, No 9, Septiembre 2002, páginas 799-810. Sage Publications. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2006106165A1 (es) | 2006-10-12 |
| ES2262428A1 (es) | 2006-11-16 |
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|---|---|---|---|
| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20061116 Kind code of ref document: A1 |
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Ref document number: 2262428B1 Country of ref document: ES |
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| PC2A | Transfer of patent |
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| FD2A | Announcement of lapse in spain |
Effective date: 20181010 |