ES2309298T3 - Robot industrial. - Google Patents
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Abstract
Un robot industrial (1) incluyendo un manipulador cinemático paralelo (2) para movimiento de un objeto (7a) en el espacio, donde el manipulador (2) incluye una plataforma estacionaria (6), una plataforma móvil (7) para transportar el objeto (7a) y al menos tres brazos (3, 4, 5) que conectan las plataformas (6, 7), donde cada uno de los al menos tres brazos incluye una primera parte de brazo (9, 14, 23) conectada a la plataforma estacionaria para rotación sinfín alrededor de un eje (A, E, F, G) y una segunda parte de brazo incluyendo una disposición de articulaciones (10, 15, 24) dispuesta para conectarse con la plataforma móvil (7) y para transmitir solamente fuerzas axiales a la plataforma móvil (7), caracterizado porque los ejes de los al menos tres brazos están dispuestos en paralelo o coinciden.
Description
Robot industrial.
La presente invención se refiere a un robot
industrial, incluyendo un manipulador y una unidad de control que
tiene medios para operar automáticamente el manipulador. El
manipulador incluye un manipulador cinemático paralelo incluyendo
al menos tres brazos, incluyendo cada uno una disposición de
articulaciones. Las tres disposiciones de articulaciones llevan
juntamente, directa o indirectamente, un elemento operativo de
plataforma dispuesto para ejecutar la función deseada.
La determinación "manipulador cinemático
paralelo", PKM, se define como un manipulador incluyendo un
primer elemento estacionario, un segundo elemento móvil
(plataforma) y al menos tres brazos. Cada brazo incluye una primera
parte de brazo de soporte y una segunda parte de brazo, constando la
última de una disposición de articulaciones conectadas a la
plataforma móvil. Cada primera parte de brazo es accionada por unos
medios de accionamiento dispuestos preferiblemente en el elemento
estacionario para reducir la masa móvil. Estas disposiciones de
articulaciones transfieren fuerzas debidas a accionamiento de las
primeras partes de brazo de soporte al manipular la plataforma
móvil.
El robot de tipo conocido llamado robot SCARA es
un manipulador cinemático de serie usado primariamente para mover y
girar objetos sin cambiar la inclinación de los objetos. El
manipulador incluye articulaciones cinemáticas acopladas en serie.
Estos robots tienen normalmente cuatro grados de libertad en las
direcciones x, y, z y \varphi_{z} (rotación del objeto
alrededor de un eje paralelo al eje z). Para manipular el objeto en
el plano xy, se usan dos brazos acoplados en serie y que trabajan
en el plano xy. Con el fin de lograr un movimiento en la dirección
z, se usa un dispositivo de movimiento lineal. Este dispositivo está
dispuesto después de los brazos acoplados en serie o antes de los
brazos acoplados en serie. En el primer caso, los brazos acoplados
en serie deben mover el conjunto de accionamiento para el movimiento
z y en el último caso el conjunto de accionamiento para el
movimiento z debe mover los brazos acoplados en serie. El conjunto
de accionamiento para el movimiento \varphi_{z} siempre estará
situado en el extremo final de la cadena cinemática del robot.
Varias propiedades relativas al robot SCARA se
mejoran con un robot, que manipula un objeto a través de operación
en paralelo, es decir un manipulador cinemático paralelo, PKM. Según
las indicaciones anteriores, un robot cinemático de serie incluye
una masa grande y por ello se puede adaptar frecuencias naturales
mecánicas bajas, la exactitud es limitada y se requieren grandes
pares motor para llevar a cabo los posibles movimientos a alta
aceleración, sacudida y velocidad.
Un robot cinemático paralelo es un diseño que
ofrece un alto grado de capacidad de carga, alta rigidez, altas
frecuencias naturales y bajo peso. Se precisan tres brazos que
trabajan en paralelo para manipular una plataforma en tres grados
de libertad, es decir las direcciones x, y y z en un sistema de
coordenadas cartesianas. Se requieren seis brazos que trabajan en
paralelo para manipular una plataforma en los seis grados de
libertad, es decir las direcciones x, y, z y el ángulo de
rotación/inclinación de un objeto dispuesto en la plataforma.
Idealmente, un objeto debe ser manipulado por un
total de seis articulaciones separadas, que transfieren solamente
fuerzas de compresión y de tracción al objeto manipulado para
obtener una manipulación rígida y exacta. Generalmente, el PKM
incluye de tres a seis primeras partes de brazo. Como un ejemplo, un
manipulador con cuatro brazos diseñado para cuatro grados de
libertad tiene segundas partes de brazo que comparten las seis
articulaciones separadas. Esto solamente es posible con ciertas
combinaciones de las articulaciones, como por ejemplo, 2/2/1/1 o
3/1/1/1. 2/2/1/1 significa que las dos primeras partes de brazo de
soporte están conectadas a la respectiva segunda parte de brazo,
que incluye dos articulaciones y otras dos primeras partes de brazo
de soporte están conectadas a la respectiva segunda parte de brazo,
que incluye una sola articulación.
Un manipulador conocido manipula una plataforma,
que permanece sin cambiar de inclinación en toda la zona de
trabajo. El robot tiene tres primeras partes de brazo de soporte,
cada una conectada a una segunda parte de brazo, en paralelismo
cinemático. A partir de este robot es conocido disponer un total de
seis articulaciones opcionalmente distribuidas en tres primeras
partes de brazo según las combinaciones 2/2/2 o 3/2/1.
Un dispositivo conocido para movimiento relativo
de un primer elemento en relación a un segundo elemento según la
combinación 2/2/2 se describe en la solicitud internacional WO
99/58301. Cada uno de los tres brazos incluye una primera parte de
brazo de soporte conectada a una segunda parte de brazo, que incluye
una disposición de articulaciones. El primer elemento se describe
como estacionario y el segundo elemento es manipulado en la
dirección x, y y z por medios de accionamiento. Cada disposición de
articulaciones está conectada a una primera parte de brazo de
soporte y al segundo elemento, respectivamente, por medio de uniones
de 2 o 3 grados de libertad. Cada medio de accionamiento incluye
una porción estacionaria y una porción rotativa, donde la porción
estacionaria está incluida en el primer elemento estacionario.
Usando los números de referencia del documento, cada medio de
accionamiento tiene su porción rotativa conectada a las primeras
partes de brazo 6, 7 y 8. Los medios de accionamiento 3 pivotan la
primera parte de brazo 6 y los medios de accionamiento 4 pivotan la
primera parte de brazo 7 alrededor del mismo eje geométrico 37. Los
terceros medios de accionamiento 5 pivotan la primera parte de
brazo 8 alrededor de un eje geométrico 38, que no es paralelo al eje
de pivote 37. Los terceros medios de accionamiento 5 implican que,
al pivote de la parte de brazo de soporte 7 por medio de los medios
de accionamiento 4, también lo acompañará la parte de brazo de
soporte 8 como consecuencia del hecho de que un eje 53 y también
una rueda dentada 10 acompañarán el movimiento de pivote. Así, los
medios de accionamiento 4 y 5 deben acelerar más y tienen una carga
más pesada en comparación con los medios de accionamiento 3. En
consecuencia, este diseño de manipulador necesita tres diseños
diferentes de medios de accionamiento con tres dimensiones de
accionamiento diferentes. Esto hace el diseño más complicado y el
manipulador relativamente caro de procesar. Otra consecuencia es
que los primeros medios de movimiento soportan el momento de inercia
más alto y habrá una distribución no uniforme del momento de
inercia en el manipulador. Además, las frecuencias naturales
mecánicas serán más bajas a causa de la masa extra que el eje 2
tiene que girar, lo que da un control menos exacto a frecuencias de
movimiento más altas.
Un dispositivo para movimiento relativo de un
primer y un segundo elemento según la segunda combinación 3/2/1 se
describe en la solicitud internacional WO 97/33726. El dispositivo
incluye un manipulador incluyendo tres brazos dispuestos para
conectar una plataforma estacionaria y otra móvil. Cada brazo
incluye una primera parte de brazo de soporte y una segunda parte
de brazo conectadas una a otra, donde la respectiva segunda parte
de brazo incluye una disposición de articulaciones. Tres
accionadores están fijados a la plataforma estacionaria y accionan
una primera parte de brazo cada uno. Una primera parte de brazo de
soporte está conectada a una disposición de articulaciones de
segunda parte de brazo incluyendo tres articulaciones en paralelo.
Otra primera parte de brazo está conectada a una disposición doble
de articulaciones y otra primera parte de brazo está conectada a
una sola articulación, donde todas las articulaciones están
conectadas a la plataforma móvil.
El documento US 5.539.291 representa un
manipulador cinemático paralelo. Un soporte sostiene una parte de
brazo de soporte biaxial controlable. Esta parte de brazo soporta, a
su vez, una segunda parte de brazo, que soporta un objeto móvil. Un
primer y un tercer brazo de soporte que pivotan alrededor de un eje
común de pivote, están conectados al objeto móvil mediante brazos
exteriores incluyendo correas con la función de una combinación
entre una parte de brazo y una cuarta articulación. Los brazos
exteriores y el segundo brazo de soporte están dispuestos para
transmitir fuerzas de compresión y de tracción así como momentos de
torsión. El resultado es un diseño relativamente voluminoso de un
manipulador con un volumen operativo limitado. Además, el
manipulador mostrado incluye menos rigidez, menor exactitud y
frecuencias naturales mecánicas muy inferiores en comparación con
un manipulador incluyendo partes de brazo que transmiten solamente
fuerzas de compresión y de tracción.
El artículo "Structural Kinematics of
in-Parallel Actuated Robot-Arms"
de K. H. Hunt, en "Journal of Mechanisms, Transmissons and
Automatic Design" de diciembre de 1983 corresponde al preámbulo
de las reivindicaciones 1 y 14.
El documento WO 02/22320 presentado después de
la fecha de prioridad de la presente solicitud también corresponde
al preámbulo de la reivindicación 1 y describe un manipulador para
mover un objeto con al menos tres brazos en el espacio. Un primero
y un segundo brazo, incluyendo dos articulaciones paralelas, están
fijados a un elemento con una disposición de uniones
tridimensional. La disposición de uniones está dispuesta en el mismo
eje de simetría dentro del elemento.
Un robot opera dentro de un volumen necesario
para la aplicación, que a continuación se denomina el volumen
operativo. Además, el volumen fuera del volumen operativo, que un
manipulador necesita para su propia finalidad, se denomina el
volumen operativo no utilizado. La técnica anterior incluye un
manipulador, que tiene un diseño voluminoso y caro con un volumen
operativo limitado (figura 16 en la técnica anterior). Para algunas
aplicaciones de robot, es importante debido a los costos iniciales
enormemente altos hacer un PKM con un pequeño volumen operativo no
utilizado en relación al volumen operativo y que puedan trabajar uno
cerca de otro.
Según las condiciones mencionadas anteriormente,
se necesita un robot industrial con alta exactitud y rigidez.
Además, se necesita un robot con un mejor recorrido de fuerzas
dinámicas y simultáneamente un volumen de trabajo incrementado en
relación al volumen no utilizado del manipulador. Además, se
necesita un robot, que tiene los caracteres de rapidez y un
movimiento exacto. Adicionalmente, se necesita un diseño de robot
que hace que los robots trabajen uno cerca de otro.
Los robots industriales conocidos incluyendo un
manipulador cinemático paralelo no satisfacen esta necesidad.
El objeto de la invención es proporcionar un PKM
rápido, definido anteriormente, que ofrece alta exactitud, rigidez
y una mayor relación de volumen operativo/operativo no utilizado. Un
segundo objeto de la invención es proporcionar un método para una
manipulación rápida y exacta de un objeto. Un tercer objeto de la
invención es usar un robot según el primer aspecto y un método
según el segundo aspecto para operaciones de alta exactitud.
Estos objetos se logran según la invención en un
primer aspecto con un robot industrial incluyendo las
características de la reivindicación independiente 1, en un segundo
aspecto con un método en un robot industrial para manipular un
objeto con alta exactitud incluyendo las características de la
reivindicación independiente 11, y un uso del método según la
reivindicación 15 y 16. Realizaciones preferidas se describen en las
reivindicaciones dependientes.
La solución según el primer aspecto de la
invención es proporcionar un robot industrial incluyendo un
manipulador cinemático paralelo para movimiento de un objeto en el
espacio. El manipulador incluye una plataforma estacionaria, una
plataforma móvil para transportar el objeto y al menos tres brazos
que conectan las plataformas. Cada uno de los al menos tres brazos
incluye una primera parte de brazo conectada a la plataforma
estacionaria para rotación sinfín alrededor de un eje, donde los
ejes están dispuestos en paralelo o coinciden.
La posibilidad de que una primera parte de brazo
gire más de 360º se denomina rotación sinfín.
El manipulador cinemático paralelo incluye al
menos tres primeras partes de brazo de soporte independientes, cada
una conectada a una segunda parte de brazo. Las segundas partes de
brazo incluyen conjuntamente en total 6 articulaciones con
solamente fuerzas axiales y están dispuestas, como se ha descrito
anteriormente, para conectar las plataformas, optimizando la
exactitud general y rigidez del manipulador.
Las al menos tres primeras partes de brazo del
manipulador cinemático paralelo según la invención están dispuestas
con la posibilidad de rotación sinfín alrededor de uno o varios
ejes. Así, la rotación sinfín del PKM reduce el volumen operativo
no utilizado a uno o varios volúmenes cilíndricos diferentes
alrededor de respectivo eje de rotación y el volumen operativo no
utilizado disminuye. Otra consecuencia de este diseño es que la
distancia operativa radial mínima y máxima entre la plataforma móvil
y el respectivo eje de rotación se incrementa y, en consecuencia,
el volumen operativo se incrementa. Un volumen operativo no
utilizado reducido y un volumen operativo incrementado dan lugar
según la invención a una mayor relación de volumen
operativo/operativo no utilizado.
El robot según la invención tiene un carácter
dinámico deseable debido a una distribución uniforme de fuerzas
dinámicas y a una falta indeseable de fuerzas de torsión y curvatura
en el diseño. Esto da lugar a alta velocidad, aceleración y
exactitud del robot.
En una realización de la invención, las primeras
partes de brazo de soporte están dispuestas para girar alrededor de
uno de al menos dos ejes paralelos. Cada primera parte de brazo está
dispuesta conectada a la plataforma estacionaria y es accionada por
unos medios de accionamiento separados. Además, los medios de
accionamiento están dispuestos para accionar solamente una sola
parte de brazo de soporte y no accionar ninguna parte de la
plataforma estacionaria u otro accionador. Por lo tanto, el diseño
del robot según la invención tiene una masa móvil disminuida en
comparación con los robots de la técnica anterior. Es posible tener
bajo efecto así como baja masa de los accionadores que accionan los
brazos. Esto minimiza el momento de inercia y maximiza la capacidad
de aceleración y velocidad del robot en un nivel de par disponible.
Este diseño carece de fuentes de holgura indeseable. El resultado
según la invención es un diseño de robot con bajas frecuencias
naturales mecánicas y errores de transmisión y por lo tanto posee
un momento de inercia mínimo y distribución uniforme de los mismos
y además un diseño libre de esfuerzos indeseables. Esto da lugar a
un robot, según la invención, que tiene alta exactitud y un
rendimiento dinámico deseable.
Según la invención, el robot incluye un
manipulador con brazos que giran alrededor de ejes paralelos, que
reducen el volumen operativo no utilizado, definido anteriormente.
Esto da lugar a un robot compacto, que, debido al diseño, tiene la
posibilidad de operar dentro de un volumen operativo grande. Además,
el robot según la invención incluye un manipulador, que carece de
posiciones con un brazo que se extiende indeseablemente en el
espacio durante la operación.
En una realización de la invención, un robot
incluye tres brazos incluyendo una primera parte de brazo cada uno.
Cada primera parte de brazo está dispuesta para girar alrededor de
un eje, que es paralelo a y está a una distancia de un eje de
rotación de una de las otras primeras partes de brazo. Así, los
brazos están dispuestos en una plataforma estacionaria para girar
alrededor de tres ejes de rotación diferentes.
Según la invención, un robot incluye tres,
cuatro, cinco o seis brazos incluyendo una primera parte de brazo
cada uno. Las tres, cuatro, cinco o seis primeras partes de brazo
están dispuestas para girar alrededor de un eje común. Así, los
brazos están conectados a la plataforma estacionaria y dispuestos
para girar alrededor de un eje de rotación común.
Según la invención, el robot incluye un concepto
de columna universal, que es adecuada para colocación en un suelo,
en una pared, entre dos paredes o colgada de un techo
independientemente de la orientación de la columna. Según la
invención, la plataforma estacionaria incluye una columna dispuesta
con un soporte de robot soltable en cualquier extremo de la
columna.
Según la invención, el robot incluye tres,
cuatro, cinco o seis brazos y está diseñado para manipulación en
tres, cuatro, cinco o seis grados de libertad. También hay
realizaciones donde se necesita un brazo redundante para eliminar
singularidades en una zona de trabajo de un robot. Una singularidad
de un robot paralelo se define como una configuración donde la
plataforma manipulada gana un grado de libertad, que hace la
plataforma imposible de controlar. Generalmente, la estructura de
brazo paralelo se plegará cuando entre en una singularidad. Además,
el PKM serán muy flexible e inexacto cerca de una singularidad.
Según la invención, al menos un brazo redundante
está dispuesto para girar un objeto a manipular. Dos brazos que
giran el objeto ofrecen una fuerza de rotación más alta en
comparación con los robots de la técnica anterior incluyendo unos
medios locales de accionamiento dispuestos para rotación del
objeto.
Según otra realización de la invención, el robot
incluye seis brazos que conectan la plataforma móvil con una
segunda parte de brazo incluyendo una articulación cada uno. Este
diseño de robot da lugar a un robot, que manipula un grado de
libertad con cada brazo. Se denomina un diseño de robot paralelo de
manipulación 6 DOF, que obtiene tanto la colocación con 3 grados de
libertad como la orientación con 3 grados de libertad de una
plataforma manipulada.
La solución según el segundo aspecto de la
invención es proporcionar un método en la industria incluyendo un
manipulador cinemático paralelo para movimiento de un objeto en el
espacio. El manipulador incluye una plataforma estacionaria, una
plataforma móvil para transportar el objeto, al menos tres brazos
que conectan las plataformas y medios de accionamiento para
accionar los brazos.
Los medios de accionamiento accionan
individualmente los brazos a rotación sinfín en diferentes planos
paralelos.
Según la invención, el PKM incluye tres, cuatro,
cinco o seis brazos dispuestos para girar alrededor de un eje común
en planos paralelos. En una realización de la invención, seis brazos
de robot manipulan un objeto en un grado de libertad cada uno. En
otra realización, el objeto es manipulado en inclinación
constante.
Según la invención, el PKM incluye tres, cuatro,
cinco o seis brazos dispuestos para girar alrededor de uno de al
menos dos ejes paralelos separados en planos paralelos.
Consiguientemente, el volumen de operación se varía durante la
rotación
Según la invención, dos brazos alternativamente
redundantes, definidos anteriormente, ponen un objeto a manipular
en rotación sinfín.
En otra realización según el primer aspecto de
la invención, un robot incluye tres primeras partes de brazo de
soporte y dos de ellas están fijadas una con relación a otra. Esta
realización incluye un robot que trabaja en un plano (2DOF).
La invención se explicará mejor con la
descripción de sus diferentes realizaciones y con referencia al
dibujo anexo donde:
La figura 1 es un robot industrial según la
invención de la combinación 3/2/1.
La figura 2 es un robot industrial según la
figura 1 dispuesta en una posición de suelo.
La figura 3 es un robot industrial según la
figura 1 dispuesto en una posición de techo.
La figura 4 es un robot industrial según la
figura 1 dispuesto en una posición portátil.
La figura 5 es un robot industrial según la
invención de la combinación 3/2/1 dispuesto con una primera parte
de brazo redundante.
La figura 6 es un robot industrial según la
invención de la combinación 2/2/1/1 incluyendo una plataforma móvil
extendida.
La figura 7 es un robot industrial según la
figura 6 dispuesto con un brazo redundante.
La figura 8 es un robot industrial según la
figura 7 con un grado de libertad cinemático extra.
La figura 9 es una realización alternativa del
robot según la invención para manipulación y rotación de una
herramienta.
La figura 10 es un robot según la figura 5
incluyendo una plataforma alternativa.
La figura 11 es una modificación del robot
industrial de las figuras 1-4.
La figura 12 es un robot industrial según la
invención con seis brazos.
La figura 13 es un robot industrial según las
figuras 1-4.
La figura 14 es un robot industrial según la
invención con tres brazos girando alrededor de ejes paralelos.
La figura 15 representa tres robots montados en
el techo que trabajan yuxtapuestos uno cerca del otro.
La figura 16 es la figura 1 del documento de la
técnica anterior WO 97/33726
La figura 17 es un robot industrial según la
invención que trabaja en un plano.
La figura 1 es un robot industrial 1 incluyendo
un manipulador 2 con tres brazos 3, 4, 5 dispuestos girando
alrededor de un eje común A. Los brazos 3, 4, 5 conectan una columna
estacionaria 6a y una plataforma móvil 7 en la combinación 3/2/1
para transportar un objeto 7a (figura 2) a manipular. La columna 6a
es soportada por un soporte soltable 8, que está fijado a la
tierra.
El primer brazo 3 incluye una primera parte de
brazo de soporte 9 y una segunda parte de brazo incluyendo una
disposición de articulaciones 10 conectadas pivotantemente en serie
mediante una junta 12. La primera parte de brazo de soporte 9 está
unida rotativamente a la columna 6 a través de medios de conexión
11. La disposición de articulaciones 10 está conectada
pivotantemente a la plataforma móvil 7 mediante una junta 13.
El segundo brazo 4 incluye una primera parte de
brazo de soporte 14 y una segunda parte de brazo incluyendo una
disposición de articulaciones 15 conectadas pivotantemente en serie
mediante juntas 16 y 17. La primera parte de brazo de soporte 14
está unida rotativamente a la columna 6a mediante medios de conexión
20. La disposición de articulaciones 15 incluye dos articulaciones
18, 19 de la misma longitud, dispuestas en paralelo y conectadas
pivotantemente a la plataforma móvil 7 mediante juntas 21 y 22.
El tercer brazo 5 incluye una primera parte de
brazo de soporte 23 y una segunda parte de brazo incluyendo una
disposición de articulaciones 24 conectadas pivotantemente en serie
mediante juntas 25, 26 y 27. La primera parte de brazo de soporte
23 está unida rotativamente a la columna 6 mediante medios de
conexión 28. La disposición de articulaciones 24 incluye tres
articulaciones 29, 30 y 31 de la misma longitud, dispuestas en
paralelo y conectadas pivotantemente a la plataforma móvil 7
mediante juntas 32, 33 y 34 (no representadas), respectivamente.
Las primeras partes de brazo de soporte 9, 14 y 23 se giran
alrededor de un eje común A y por lo tanto sus movimientos serán en
planos paralelos cuando sean accionadas y esta rotación se
representa en la figura 1 con las líneas de trazos.
En una realización (no representada), el robot
se usa para manipular la plataforma 7 en el plano xy con una
posición constante en la dirección z. Esto se realiza manteniendo la
junta 12 verticalmente encima de las juntas 25 y 26 y montando la
junta 13 verticalmente encima de las juntas 33 y 34. Esto también se
logra en una realización alternativa manteniendo la junta 12
verticalmente encima de las juntas 16 y 17 y montando la junta 13
verticalmente encima de las juntas 21 y 22. La primera parte de
brazo 9 es controlada entonces de forma síncrona con respecto a la
primera parte de brazo 23 y la primera parte de brazo 14,
respectivamente.
La junta 12 se mantiene entonces verticalmente
encima de las juntas 25 y 26 o alternativamente encima de las
juntas 16 y 17 por bloqueo mecánico de la primera parte de brazo 9
(junta de soporte 12) a la primera parte de brazo 23 (juntas de
soporte 21 y 22), alternativamente a la primera parte de brazo 14
(juntas de soporte 16 y 17). Otra posibilidad es controlar la
primera parte de brazo 9 sincrónicamente con la primera parte de
brazo 23 respectivamente la primera parte de brazo 14.
Un posible cambio de posición se realiza según
lo siguiente. El soporte de robot 8 (figura 2) se desmonta del
primer extremo 35 de la columna 6, se pone boca abajo y une al
segundo extremo 36 de la columna 6. La figura 3 es el robot
industrial según la figura 2 después del cambio a una posición de
techo. Se recalca que la columna 6 y los brazos 3, 4 y 5 tienen la
misma orientación en ambas figuras 1, 2 y 3.
La figura 4 es una realización alternativa de la
invención. El robot en la figura 2 está separado de la posición de
techo y equipado con un pie de robot 37 unido al primer extremo 35
de la columna 6. Se recalca que la columna 6 y el sistema de brazos
tienen la misma orientación en ambas figuras 3 y 4.
Los robots industriales de las figuras
1-4 son el mismo robot de la combinación 3/2/1
incluyendo tres brazos 3, 4 y 5, que están diseñados para manipular
un objeto en la dirección x, y y z por medio de dispositivos de
aplicación de fuerza (no representados). El robot está diseñado para
permitir que las primeras partes de brazo de soporte 9, 14 y 23
giren alrededor de un solo eje A, que tienen en común. Las segundas
partes de brazo más próximas a la plataforma móvil son las
disposiciones de articulaciones 10, 15 y 24, respectivamente, y
comparten las seis articulaciones necesarias en la combinación
3/2/1. Las juntas 12, 16, 17, 25, 26 y 27 están diseñadas para
permitir un movimiento relativo de tres grados de libertad entre
respectivas partes de brazo de soporte 9, 14 y 23 y disposiciones
de articulaciones 10, 15 y 24. Dos de dichos tres grados de libertad
consisten en pivotar en todas las direcciones alrededor de dos ejes
reales o imaginarios colocados en un ángulo uno con otro y el
tercero tiene forma de rotación de una articulación individual
alrededor de su eje longitudinal. En realidad, las juntas
individuales 12, 16, 17, 26 y 27 incluyen juntas esféricas o juntas
universales.
La disposición de articulaciones 10 está
conectada a la plataforma móvil 7 a través de la disposición de
juntas 13. La disposición de articulaciones 15 está conectada a la
plataforma móvil 7 a través de las disposiciones de junta 21 y 22.
La disposición de articulaciones 24 está conectada a la plataforma
móvil 7 mediante las disposiciones de junta 32, 33 y 34. Las juntas
13, 21, 22, 32, 33 y 34 están diseñadas para permitir un movimiento
relativo de dos o tres grados de libertad entre la disposición de
articulaciones 10, 15, 24 y la plataforma móvil 7, respectivamente.
En realidad, las juntas individuales 13, 21, 22, 32, 33 y 34
incluyen juntas universales o juntas esféricas. En el primer caso,
se elimina un grado de libertad en forma de rotación de una
articulación individual alrededor de su eje longitudinal.
Los brazos 4 y 5 manipulan principalmente la
plataforma 7 en el plano x-y y el brazo 3 manipula
la plataforma 7 principalmente en la dirección z. Los tres brazos
manipulan conjuntamente la posición de la plataforma móvil 7 bajo
una inclinación constante de la plataforma 7.
La figura 5 es un robot industrial de la
combinación 2/2/1/1 diseñado para manipulación de un objeto en
cuatro grados de libertad, las direcciones x, y y z y
basculamiento. Incluye un robot según la figura 1 reducido con la
articulación 29 y completado con un cuarto brazo 38 dispuesto para
girar alrededor del eje común A entre los brazos 3 y 4, conectando
la columna estacionaria 6 y la plataforma móvil 7 mediante una
primera parte de brazo 38a conectada a una disposición de
articulaciones de la segunda parte de brazo 38b. Cuando la primera
parte de brazo 38a se gira con relación a los otros brazos, la
plataforma 7 se basculará, haciendo posible adaptar la orientación
de la plataforma a la necesidad de la aplicación del robot.
La figura 6 es un robot industrial según la
invención de la combinación 2/2/1/1 con cuatro brazos 39, 40, 45 y
46. Cada brazo incluye una primera parte de brazo de soporte 39a,
40a, 45a, 46a dispuesta para girar alrededor del eje A de la
columna estacionaria, y una disposición de articulaciones de segundo
brazo 39b, 40b, 45b y 46b que conectan conjuntamente la respectiva
primera parte de brazo y la plataforma móvil. Las primeras partes
de brazo manipulan la plataforma 7 mediante las segundas partes de
brazo incluyendo articulaciones en la combinación 2/2/1/1. El
sistema de brazos está diseñado en este caso para la manipulación de
un objeto en cuatro grados de libertad, la dirección x, y y z y
rotación \varphi_{2}.
En la figura 6, la primera parte de brazo 39 y
la segunda parte de brazo 40 están dispuestas para manipular la
plataforma 7 principalmente en el plano xy. Cada primera parte de
brazo 39, 40 está conectada a la plataforma móvil extendida 7
mediante una segunda parte de brazo, incluyendo cada una dos
articulaciones paralelas y juntas correspondientes 41, 42 y 43, 44,
respectivamente, y las articulaciones están dispuestas para girar
alrededor de un eje
común B.
común B.
Las partes de brazo de soporte tercera y cuarta
45 y 46 están dispuestas para manipular la plataforma 7
principalmente en la dirección z y para dar a la plataforma una
rotación \varphi_{2}. Así, la disposición manipulará la
posición de un objeto 47, su altura y distancia al eje A, y también
la rotación del objeto alrededor de un eje B. La rotación se limita
a +/- 50º alrededor del eje B. Esta estructura brazos no operará con
una rotación de 180º.
El diseño descrito anteriormente con los dos
pares de articulaciones paralelas conectadas a la plataforma móvil
da lugar a paralelismo entre los ejes A y B. Sin embargo, hay
posiciones donde la altura y dirección autónomas se pierden, lo que
se denomina singularidades. Esto significa que hay posiciones donde
el manipulador pierde el control de la plataforma, posiciones donde
la plataforma ganará realmente un grado de libertad.
Además, la figura 6 es un robot incluyendo una
plataforma 7, que está diseñada para incluir dos partes acodadas
paralelas 7a y 7b conectadas por una tercera parte de conexión 7c.
Las juntas 41, 42, 43 y 44 están dispuestas en la parte de
plataforma 7a para girar alrededor de un eje z común B. Las juntas
41, 42, 43 y 44 están diseñadas para permitir un movimiento
relativo de dos o tres grados de libertad. Las segundas partes de
brazo 45b y 46b están conectadas a la parte de plataforma 7b
mediante juntas 47 y 48, respectivamente. Estas juntas están
diseñadas para permitir un movimiento relativo de dos o tres grados
de libertad y están dispuestas en la parte de plataforma 7b para
girar alrededor de un eje común C. El diseño del robot en la figura
6 permite una rotación exacta de la plataforma 7 de hasta
aproximadamente +/- 50º alrededor del eje B como se ha mencionado
anteriormente.
La figura 7 es una modificación de la figura 6
con un brazo redundante 49 añadido, que incluye una primera parte
de brazo 49a dispuesta para girar alrededor del eje A entre las
primeras partes de brazo de soporte 40a y 45a. La primera parte de
brazo rotativa superior 46a manipula principalmente la altura de la
plataforma móvil 7. Las dos primeras partes de brazo de soporte
inferiores 39a y 40a, respectivamente, permiten la manipulación
principalmente en el plano xy. La primera parte de brazo 45a,
conjuntamente con la primera parte de brazo redundante 49a, permite
la plena rotación de la plataforma 7, definida como cualquier número
de vueltas, alrededor del eje B. En posiciones de singularidad
según el robot en la figura 6, el brazo redundante 49 según la
figura 7 se usa para controlar el movimiento de la plataforma 7b.
Como alternativa, un servo para el brazo redundante controla la
fuerza en la disposición de articulaciones del segundo brazo en
lugar de su posición para realizar el control redundante fuera de
las posiciones de singularidad.
Una alternativa a la disposición en la figura 7
es conectar la parte 7a de la plataforma al brazo redundante 49,
por lo que se controla la posición de la parte 7a. Las primeras
partes de brazo 45a y 46a se usan entonces solamente para la
rotación de la plataforma 7a. Sin embargo, en este caso la
manipulación de la parte de plataforma 7a se debe hacer
independientemente de la posición de la parte de plataforma 7a y por
lo tanto se necesita una disposición para el movimiento paralelo de
las partes de plataforma 7a y 7b. Esta disposición aumentará un
grado de libertad cinemática a través de una junta de un solo eje
50, que se representa en la figura 8. En esta realización, la
segunda parte de brazo redundante 49b está conectada a la parte de
plataforma 7a, que se pivota alrededor del eje B. La parte de
plataforma 7c incluye un sistema de cuatro articulaciones dobles
paralelas que permiten a la parte de plataforma 7b girar alrededor
del eje C, que debido al sistema de articulaciones permanece
dispuesto paralelo al eje A y B.
La figura 9 es una realización alternativa del
robot según la invención. El robot es de la combinación de segunda
parte de brazo 3/2/1 incluyendo articulaciones correspondientes a
las primeras partes de brazo 3, 4 y 5 en la figura 1. Dos brazos
redundantes 51 y 52, respectivamente, están dispuestos para poner
una herramienta 53 dispuesta en la plataforma 7 en rotación sinfín.
La herramienta 53 está dispuesta para girar alrededor del eje B,
que a su vez es paralelo a los ejes A y C.
La figura 10 es una realización alternativa del
robot en las figuras 1-4 incluyendo un brazo
redundante 56. La plataforma 7 está diseñada de manera que incluya
tres partes acodadas paralelas 7d, 7e y 7f, respectivamente,
conectadas por dos partes de conexión 7g y 7h. Estas cinco partes
forman conjuntamente una estructura de pedal con una parte central
7e que se extiende horizontalmente y soporta una herramienta 54 y
dos partes de pedal 7g y 7h dispuestas en cada extremo de la parte
extendida 7e y conectadas a los brazos 55 y 56 para rotación de la
plataforma 7. Las partes de pedal 7d y 7f, respectivamente, están
desplazadas 90º en relación al eje de rotación. La rotación de la
plataforma 7 da lugar al basculamiento de la herramienta 54.
Las figuras 6, 7, 8, 9 y 10 son robots provistos
de dos brazos para rotación de un objeto a manipular.
La figura 11 es un robot según la invención de
la combinación 2/1/1/1/1. El diseño del robot es una modificación
del robot según las figuras 1-4, donde el brazo 4 se
ha sustituido por dos brazos 57 y 58, respectivamente, incluyendo
una primera parte de brazo 57a y 58a, respectivamente, y una segunda
parte de brazo 57b y 58b, respectivamente. Las segundas partes de
brazo 57b y 58b, respectivamente, incluyen una sola articulación
cada una. El robot manipula la plataforma 7 en cinco grados de
libertad.
La figura 12 es un robot industrial según la
invención de la combinación 1/1/1/1/1/1, que incluye seis brazos
59, 60, 61, 62, 63 y 64, respectivamente, incluyendo cada brazo una
primera parte de brazo y una segunda parte de brazo, de las que la
última incluye una sola articulación. Este robot tiene la
posibilidad de manipular los seis grados de libertad como se ha
definido anteriormente.
La figura 13 es un robot según la invención de
la combinación 2/2/1 incluyendo un manipulador con cinco grados de
libertad.
La figura 14 es un robot industrial alternativo
según la invención incluyendo tres brazos 65, 66 y 67. Cada brazo
incluye una primera parte de brazo de soporte 65a, 66a y 67a,
respectivamente, y estas primeras partes de brazo están dispuestas
para girar alrededor de los ejes paralelos G, F y H,
respectivamente. En esta realización la columna estacionaria tiene
un diseño modificado adaptado para la rotación de los brazos. Esta
realización permite la rotación sinfín y da lugar a un volumen
operativo y un volumen operativo no utilizado, definidos
anteriormente, que varían en tamaño y forma en una revolución.
La figura 17 es un robot industrial alternativo
según la invención incluyendo tres brazos 68, 69 y 70. Cada brazo
incluye una primera parte de brazo de soporte 68a, 69a y 70a,
respectivamente, y dos de estas primeras partes de brazo, 68a y 69a
están fijadas una con relación a otra a través de medios de fijación
71. Este robot trabaja en un plano (2DOF).
Aunque solamente se han ilustrado y descrito
algunas características preferidas de la presente invención, muchas
modificaciones y cambios serán evidentes a los expertos en la
técnica. Una modificación es disponer la plataforma estacionaria en
un cimiento móvil incluido en una disposición más grande. Por lo
tanto, se ha de entender que tales modificaciones y cambios de la
presente invención caen dentro del alcance de las
reivindicaciones.
Claims (20)
-
\global\parskip0.970000\baselineskip
1. Un robot industrial (1) incluyendo un manipulador cinemático paralelo (2) para movimiento de un objeto (7a) en el espacio, donde el manipulador (2) incluye una plataforma estacionaria (6), una plataforma móvil (7) para transportar el objeto (7a) y al menos tres brazos (3, 4, 5) que conectan las plataformas (6, 7), donde cada uno de los al menos tres brazos incluye una primera parte de brazo (9, 14, 23) conectada a la plataforma estacionaria para rotación sinfín alrededor de un eje (A, E, F, G) y una segunda parte de brazo incluyendo una disposición de articulaciones (10, 15, 24) dispuesta para conectarse con la plataforma móvil (7) y para transmitir solamente fuerzas axiales a la plataforma móvil (7), caracterizado porque los ejes de los al menos tres brazos están dispuestos en paralelo o coinciden. - 2. Un robot industrial según la reivindicación 1, donde cada una de las al menos tres primeras partes de brazo (9, 14, 23) está dispuesta para girar alrededor de uno de al menos dos ejes paralelos (A, E, F, G).
- 3. Un robot industrial según la reivindicación 2, donde los al menos dos ejes de rotación (A, E, F, G) están dispuestos de manera que coincidan.
- 4. Un robot industrial según cualquier reivindicación precedente, donde las al menos tres primeras partes de brazo (9, 14, 23) están dispuestas para girar alrededor de un eje común (A).
- 5. Un robot industrial según cualquier reivindicación precedente, donde la plataforma estacionaria (6) incluye una columna (6a) dispuesta con un soporte de robot soltable (8) en cada extremo (35, 36) de la columna.
- 6. Un robot industrial según la reivindicación 5, donde el robot (1) está dispuesto en una posición de techo.
- 7. Un robot industrial según la reivindicación 5, donde el robot (1) está dispuesto en una posición de pared.
- 8. Un robot industrial según la reivindicación 5, donde el robot (1) está dispuesto en una posición de suelo.
- 9. Un robot industrial según cualquier reivindicación precedente, donde el manipulador (2) incluye cuatro brazos (3, 4, 5, 38).
- 10. Un robot industrial según cualquier reivindicación precedente, donde el manipulador (2) incluye cinco brazos (39, 40, 45, 46, 49).
- 11. Un robot industrial según cualquier reivindicación precedente, donde el manipulador (2) incluye seis brazos (59, 60, 61, 62, 63, 64).
- 12. Un robot industrial según la reivindicación 11, donde cada uno de los seis brazos (59, 60, 61, 62, 63, 64) está conectado a la plataforma móvil (7) por una sola articulación.
- 13. Un robot industrial según cualquier reivindicación precedente, donde el manipulador (2) incluye al menos un brazo redundante (49, 51, 52).
- 14. Un método de operar un robot industrial (1) incluyendoun manipulador cinemático paralelo (2) para movimiento de un objeto (7a) en el espacio,por lo que el manipulador (2) incluye- una plataforma estacionaria (6),- una plataforma móvil (7) para transportar el objeto (7a),- al menos tres brazos (3, 4, 5) que conectan las plataformas (6, 7) y- medios de accionamiento para accionar los brazos, por lo quecada uno de los al menos tres brazos incluye una primera parte de brazo (9, 14, 23) conectada a la plataforma estacionaria para rotación sinfín alrededor de un eje (A, E, F, G) y una segunda parte de brazo incluyendo una disposición de articulaciones (10, 15, 24) conectadas a la plataforma móvil (7) para transmitir solamente fuerzas axiales a la plataforma móvil (7), y por lo quelos medios de accionamiento accionan individualmente las primeras partes de brazo (9, 14, 23) a rotación sinfín en planos diferentes,caracterizado porquelos planos están dispuestos en paralelo.
\global\parskip1.000000\baselineskip
- 15. Un método según la reivindicación 14, donde los al menos tres brazos () se giran alrededor de uno de al menos dos ejes paralelos (E, F, G) en planos paralelos.
- 16. Un método según la reivindicación 14, donde los al menos tres brazos (3, 4, 5) se giran alrededor de un eje común (A) en planos paralelos.
- 17. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 14-16, donde los brazos (3, 4, 5) manipulan el objeto (7a) en inclinación constante.
- 18. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 14-17, donde seis brazos de robot (59, 60, 61, 62, 63, 64) se ponen a manipular el objeto (7a) en un grado de libertad cada uno.
- 19. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 14-18, donde el volumen de operación del robot se varía durante la rotación.
- 20. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 14-19, donde al menos un brazo redundante (49, 51, 52) pone el objeto (7a) en rotación sinfín.
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