ES2311232T3 - Robot en paralelo que comprende medios de puesta en movimiento de un elemento movil descompuesto en dos subconjuntos. - Google Patents

Abstract

Un robot del tipo que comprende un elemento de base (1) y un elemento móvil (2) acoplado a dicho elemento de base por medios de puesta en movimiento, caracterizado porque dichos medios de puesta en movimiento comprenden un primer y un segundo subconjuntos, estando dicho primer subconjunto destinado a desplazar a dicho elemento móvil (2) según una dirección sensiblemente vertical, uniendo dicho segundo subconjunto dicho primer subconjunto a dicho elemento móvil (2) e incluyendo al menos tres accionadores (4) susceptibles de actuar en paralelo para desplazar a dicho elemento móvil (2) en un plano sensiblemente horizontal independientemente de dicho primer subconjunto.

Description

Robot en paralelo que comprende medios de puesta en movimiento de un elemento móvil descompuesto en dos subconjuntos.

El dominio del invento es el de los manipuladores automáticos. Más precisamente, el invento se refiere a un robot llamado en paralelo.

Los robots industriales son clasificados por dos grupos principales: robots en serie y robots en paralelo.

La estructura móvil de los robots en serie es una cadena abierta formada por una sucesión de segmentos unidos entre si por uniones con un grado de libertad. Cada articulación es mandada por un accionador situado en la zona de la articulación o sobre uno de los segmentos precedentes. En este último caso, un mecanismo asegura la transmisión entre el accionador y la articulación considerada.

Tal configuración implica una estructura pesada pues masas importantes deben ser puestas en movimiento, incluso en el caso del desplazamiento de una pequeña carga.

Los robots en paralelo pueden ser definidos como siendo sistemas mecánicos con varios grados de libertad compuestos por dos cuerpos rígidos interconectados por uno o varios bucles que forman un polígono plano.

Los robots en paralelo presentan múltiples ventajas con relación a los robots en serie: movimientos de altas cadencias y sobre todo aceleraciones importantes, la distribución más regular de las cargas sobre los accionadores, una gran rigidez mecánica y poca masa en movimiento que mejora notablemente la capacidad dinámica del robot.

Entre los inconvenientes de los robots en paralelo se puede constatar un volumen de trabajo restringido impuesto por la propia concepción del robot, la presencia de singularidades en el volumen de trabajo y un fuerte acoplamiento entre el movimiento de las diferentes cadenas cinemáticas. El acoplamiento de movimientos planteaba dificultades en determinar los modelos diferenciales. Por ejemplo, el incremento del motor depende de la posición del robot, va a ser menor a medida que el robot va a aproximarse al centro, este fenómeno introduce una inercia variable que es difícil de gestionar conservando velocidades de funcionamiento importantes.

En veinte años, las aplicaciones de los robots en paralelo se han sucedido: se pueden encontrar estos robots en la industria agro-alimenticia, farmacéutica, aeronáutica, etc. Son cada vez más utilizados en la industria para la concepción de las nuevas generaciones de máquinas herramientas.

La mayor parte de los robots del tipo anterior que se conocen, tales como por ejemplo el robot Delta (marca depositada) descrito en el documento de patente publicada con el número US 4.976.582, comprende un elemento de base y un elemento móvil, así como tres brazos de mando montados de manera rígida en su primera extremidad sobre tres ejes que pueden ser puestos en rotación. La otra extremidad de cada brazo de mando es hecha solidaria del elemento móvil por medio de dos barras de unión montadas en articulación, por una parte, sobre la segunda extremidad del brazo de mando y, por otra parte, sobre el elemento móvil.

Según esta técnica, la inclinación y orientación en el espacio del elemento móvil permanecen sin cambios, cualesquiera que sean los movimientos de los tres brazos de mando.

El elemento móvil soporta un elemento de trabajo cuya rotación es mandada por un motor fijo situado sobre el elemento de base. Un brazo telescópico une el motor al elemento de trabajo.

Tal robot tiene cuatro grados de libertad. Asegura los tres movimientos del elemento móvil y la rotación del elemento de trabajo.

Otro ejemplo de robot en paralelo está descrito en el documento US-A- 2003 121 351 cuya fig. 4 muestra tres brazos de mando de un elemento móvil montados deslizantes sobre tres ejes verticales en paralelo.

Sin embargo, los robots en paralelo están mal adaptados para la transferencia precisa de las piezas pesadas pues los mandos del elemento móvil están acoplados.

Ello significa que para desplazar el elemento móvil según una dirección, es necesario accionar todos los motores simultáneamente y unir los mandos del robot.

En otros términos, no es posible para tal robot accionar un solo motor para desplazar el elemento móvil en una sola dirección. Sucede que el control de tal sistema es difícil pues requiere la sincronización de los mandos. También, la representación dinámica del robot revela un sistema de ecuaciones diferenciales acopladas y no lineales. Resulta de ello que los mandos no integran los fenómenos no lineales unidos a la dinámica del sistema y conducen por consiguiente a importantes dificultades de control.

\newpage

Un inconveniente mayor de este tipo de robot reside por tanto en la pérdida del nivel de precisión en el curso de los desplazamientos de las cargas importantes condicionada por la inercia variable y el acoplamiento de los mandos.

El invento tiene particularmente por objeto paliar los inconvenientes de la técnica anterior.

Más precisamente, el invento tiene objeto proponer un robot en paralelo que permite ejecutar desplazamientos según una relación entrada/salida lineal.

El invento tiene igualmente por objeto proporcionar un robot tal que éste adaptado tanto a la ejecución de movimientos relativamente importantes como a la de microdesplazamientos.

El invento tiene también por objeto proporcionar un robot tal que permite la manipulación de cargas importantes, todo ello comprendido con una gran precisión.

Otro objeto del invento es proporcionar un robot tal que evite la necesidad de sincronizar sistemáticamente los mandos como sucede con la técnica anterior.

Otro objeto del invento es proporcionar un robot tal que sea simple de concepción y fácil de emplear.

Estos objetos, así como otros que aparecerán en lo que sigue, son alcanzados gracias al invento que tiene por objeto un robot del tipo que comprende un elemento de base y un elemento móvil acoplado a dicho elemento de base por medios de puesta en movimiento, caracterizado porque dichos medios de puesta en movimiento comprenden un primer y un segundo subconjuntos, estando dicho primer subconjunto destinado a desplazar a dicho elemento móvil según una dirección sensiblemente vertical, uniendo dicho segundo subconjunto dicho primer subconjunto a dicho elemento móvil e incluyendo al menos tres accionadores susceptibles de actuar en paralelo a para desplazar a dicho elemento móvil en un plano sensiblemente horizontal independientemente de dicho primer subconjunto.

Un robot en paralelo según el invento presenta múltiples ventajas.

Una de las ventajas principales de este robot es que los movimientos en los planos horizontales y según el eje vertical están desacoplados, ello gracias a la presencia de los primer y segundo subconjuntos.

En efecto, el desacoplamiento de los movimientos entraña el desacoplamiento de las potencias.

Ahora bien, se sabe que, para levantar una carga, es preciso gastar mucha energía porque la fuerza de gravedad tiene la misma dirección que el desplazamiento. Por el contrario para desplazar la misma carga en el plano horizontal el gasto de energía es considerablemente reducido pues la fuerza de la gravedad es perpendicular al desplazamiento. El invento permite por tanto introducir en la construcción del robot, motores de capacidad adaptada al desplazamiento considerado, por ejemplo un motor potente para levantar una carga a una altitud dada, y motores menos potentes pero mucho más precisos para las manipulaciones en el plano horizontal.

Se comprende por tanto que el invento permite crear robots de gran capacidad de carga que ejecutan desplazamientos precisos.

Además, el desacoplamiento de los movimientos simplifica el mando del robot en la medida en que la ejecución del desplazamiento vertical permite una relación entrada-salida lineal.

Además, como va a parecer más claramente en lo que sigue, el invento da la posibilidad de copiar proporcionalmente el movimiento vertical por una relación de similitud, lo que permite utilizar el robot según el invento para la puesta en práctica de sistemas micromecánicos (sistema de gran precisión).

Por otra parte, los tres accionadores mecánicos están constituidos cada uno, como va a aparecer más claramente en lo que sigue, por un sistema de cadena cinemática plana y cerrada que actúa en paralelo de manera que el elemento móvil permanece siempre en paralelo al elemento de base. Esta arquitectura asegura un aumento de la rigidez de la mecánica de conjunto que es muy favorable a la obtención de una mejor precisión del posicionamiento del elemento móvil. Así éste no puede presentar error de inclinación horizontal si los elementos constitutivos de las cadenas cinemáticas cerradas son geométricamente perfectos.

Un robot de tal concepción es igualmente ventajoso porque presenta una arquitectura mecánica realizable con bajo coste, en particular porque esta arquitectura puede estar compuesta por elementos de construcción estandarizados.

Según un primer modo de realización, dicho primer subconjunto comprende, para cada uno de dichos accionadores, un soporte, estando dichos soportes acoplados a primeros medios motores comunes a cada uno de dichos soportes.

El desplazamiento del robot según un eje vertical es así obtenido por un motor único, lo que asegura una gran simplicidad del robot en términos de concepción y evita la necesidad, para este desplazamiento, de sincronizar varios motores.

Según un segundo modo de realización, dicho primer subconjunto comprende, para cada uno de dichos accionadores, un soporte acoplado a medios motores que le son propios.

Así, se aumenta el número de grados de libertad del manipulador, llevando este número a seis.

Según una solución ventajosa, dichos primeros medios motores son llevados por dicho elemento de base.

De esta manera, estos medios motores son llevados por un elemento fijo y no constituyen una carga susceptible de perjudicar la precisión del robot, en particular cuando éste manipula las piezas ligeras.

Se comprende por tanto que el robot así concebido está adaptado tanto a la manipulación de cargas importantes como a la de pequeñas piezas.

Ventajosamente, cada soporte está guiado en traslación sobre dicho elemento de base.

Preferentemente, dichos medios motores comprenden al menos un gato hidráulico.

Tal gato aseguraba al robot la capacidad de transportar cargas relativamente importantes, ello sin perjudicar su precisión, no siendo el gato en si mismo una carga a desplazar.

Sin embargo, otros sistemas cinemáticamente equivalentes podrán ser empleados en otros modos de realización considerables, por ejemplo motores eléctricos lineales.

Según una solución preferida, el robot comprende, para cada accionador, un soporte secundario montado móvil en rotación sobre dicho elemento de base.

Según una primera variante, un medio motor secundario puede estar asociado a cada soporte secundario para arrastrar a éste.

Según otra característica, cada accionador comprende un conjunto de barras articuladas entre sí de manera que formen un pantógrafo.

De esta manera, se asegura la relación entrada/salida según una función lineal, presentando esta función un coeficiente constante que es la relación de similitud del pantógrafo.

Tal estructura en pantógrafo proporciona un sistema de copiado de los desplazamientos del primer subconjunto autorizando a la salida desplazamientos importantes o microdesplazamientos.

Según una solución ventajosa, dichos soportes secundarios presentan cada uno medios de guiado en traslación de un elemento llevado por una de dichas barras de uno de dichos pantógrafos.

En este caso, dichos soportes secundarios presentan cada uno preferentemente una corredera en la que una roldana llevada por una de dichas barras de uno de dichos pantógrafos es susceptible de deslizar.

Según una segunda variante, el dispositivo comprende un medio motor secundario asociado a cada medio de guiado en traslación (en lugar de medios motores asociados a cada soporte secundario tal como se ha indicado anteriormente).

Otras soluciones para el guiado en traslación sobre los soportes pueden ser consideradas, por ejemplo haciendo cooperar a una corredera con un rodamiento de bolas, o desplazando un carro sobre un carril, etc.

Además, el pantógrafo puede ser reemplazado por otro sistema mecánico equivalente, que permita un copiado de movimiento.

Preferentemente, dicho medio motor asociado a cada soporte secundario comprende un motor eléctrico.

Tales motores son relativamente poco potentes pero permiten la ejecución de movimientos con una gran precisión.

El desacoplamiento de los movimientos verticales y horizontales según el principio del invento permite el recurso a tales motores en la medida en que éstos actúan con relación a cargas desplazadas horizontalmente que implican gastos de energía poco importantes con relación a los gastos de energía unidos a los desplazamientos verticales.

Bien entendido, otros accionadores motorizados podrán ser considerados sin salir del marco del invento.

Así, se evita la necesidad de una sincronización de los mandos.

Además, se pueden gestionar accionadores que funcionan con fuentes de energía distintas, teniendo estos motores eventualmente tiempos de respuesta diferentes.

Otras características y ventajas del invento aparecerán más claramente de la lectura de la descripción siguiente de un modo de realización preferente del invento, dado a título de ejemplo ilustrativo y no limitativo, y de los dibujos entre los cuales:

La fig. 1 es una vista en perspectiva de un robot según un primer modo de realización del invento;

La fig. 2 es una representación cinemática de un robot según el modo realización ilustrado por la fig. 1;

La fig. 3 es una representación cinemática de un robot según un segundo modo de realización del invento;

La fig. 4 es una vista en perspectiva de un robot según un tercer modo de realización.

\vskip1.000000\baselineskip

Tal como se ha mencionado ya precedentemente, el principio del invento reside en el hecho de prever, en un robot de tipo en paralelo, un desacoplamiento de los medios que aseguran los desplazamientos verticales de estos asegurando los desplazamientos horizontales.

En referencia a las figs. 1 y 2 relativas a un primer modo de realización del presente invento, un robot en paralelo comprende un elemento de base 1, un elemento móvil 2 unido al elemento de base por medios de puesta en movimiento constituidos por cadenas cinemática detalladas a continuación.

Según el principio del invento, estos medios de puesta en movimiento comprenden:

- un primer subconjunto 5, 6 destinado a desplazar el elemento móvil 2 verticalmente;

- un segundo subconjunto que une el primer subconjunto al elemento móvil 2 y que comprende tres accionadores 4 susceptibles de actuar en paralelo para desplazar el elemento móvil 2 horizontalmente, independientemente del primer subconjunto.

Tal como aparece en la fig. 1, el primer subconjunto comprende tres soportes 5 que se extienden verticalmente y unidos cada uno a un accionador 4 por una parte, y a una cruceta 51 acoplada a medios motores eléctricos 6. (Se observará que en otro modo de realización, estos medios motores podrán incluir un gato hidráulico).

Como aparece en la fig. 2, el elemento de base 1 lleva tres módulos giratorios 21 destinados cada uno a arrastrar en rotación un soporte secundario 3 montado sobre el elemento de base 1 por una articulación 19. Estos módulos giratorios 21 incluyen cada uno un motor eléctrico.

Se observa que cada articulación 19 constituye a la vez una unión pivote de un soporte secundario 3 con relación al elemento de base 1, y un medio de guiado en traslación vertical de un soporte 5 sobre el elemento de base 1.

Cada soporte secundario 3 es solidario en rotación de un accionador mecánico 4 que está montado por medio de una unión pivotante 52 sobre el soporte 5 por una parte, y montado por otra parte por medio de una articulación 8 sobre el elemento móvil 2.

Tal como se ha ilustrado por la fig. 1, cada accionador mecánico 4 comprende un mecanismo de pantógrafo constituido por barras 9, 10, 11 y 12, unidas entre sí por las articulaciones 13, 14, 16, 17.

Cada accionador 4 es hecho solidario en rotación del soporte secundario 3 correspondiente por medio de una roldana 18, estando montada esta roldana a deslizamiento en una ranura 31 del soporte secundario 3 (tal unión puede ser realizada también por una corredera con un rodamiento de bolas o por otra unión de traslación según otros modos de realización considerables).

Cada roldana 18 está montada en la intersección de las barras 9 y 10 de cada mecanismo de pantógrafo, es decir al nivel de la articulación 13.

Los tres módulos giratorios 21 están conectados por medio de amplificadores apropiados a una unidad de pilotaje 22 (un ordenador o un autómata) destinada a controlar los movimientos en rotación de los accionadores 4 en el plano horizontal.

Esta unidad de pilotaje 22 está igualmente conectada al motor 6 para mandar éste.

Así, el movimiento vertical del motor 6 arrastra el movimiento vertical del soporte 5 que se traduce por el movimiento de la articulación 13. El movimiento vertical de la articulación 13 provoca un movimiento vertical de la articulación 17 por medio del accionador mecánico 4.

Los accionadores mecánicos realizados en forma de pantógrafos permiten una relación entre la entrada 6 y la salida 2 en forma de una función lineal con un coeficiente constante que es la relación de similitud del pantógrafo.

Por otra parte, las rotaciones de los módulos giratorios 21 son transformadas en rotaciones de los soportes secundarios 3 que se transforman a su vez, por medio de los accionadores mecánicos 4, en movimientos del elemento móvil 1 en el plano horizontal.

Se observa que los tres grados de libertad en el plano horizontal se descomponen en dos traslaciones de direcciones perpendiculares en el plano horizontal y en una rotación alrededor de un eje vertical.

Se comprende que el bloqueo del motor 6 fija la altitud del elemento móvil 2, lo que permite conservar el elemento móvil 2 en un plano horizontal durante las rotaciones de los accionadores 4.

Un segundo modo de realización esquematizado en la fig. 3 no se diferencia del modo de realización descrito anteriormente con referencia a las figs. 1 y 2 más que por la posición del soporte secundario 3 y de la roldana 18 y por el punto de fijación de la extremidad inferior del soporte 5.

En este modo de realización, el soporte secundario 3 y la roldana 18 están previstos sobre la barra 11 mientras que la extremidad inferior del soporte 5 está montada pivotante sobre la articulación 13.

Un tercer modo de realización está representado en la fig. 4.

Según este tercer modo de realización, cada uno de los soportes 5 está asociado a un motor 32 que le es propio. Por otra parte, rótulas 33 están previstas para unir las barras 12 del mecanismo de pantógrafo al elemento móvil. El robot manipulador según el invento dispone así de seis grados de libertad.

Los tres modos de realización del robot en paralelo según el presente invento descritos anteriormente presentan tres brazos que muestran:

- una unión rotoide motorizada correspondiente a la unión entre la base 1 y el soporte 3;

- una unión prismática pasiva correspondiente a la unión corredera entre la roldana 18 y el soporte secundario 3;

- una unión rotoide pasiva por la articulación 8 sobre el elemento móvil 2.

Sin embargo, se observará que en otros modos de realización, son las uniones prismáticas las que podrán ser motorizadas y no las uniones rotoides y esto, sin salir del marco del presente invento.

El robot según el invento puede ser utilizado en dominios de aplicaciones muy variadas, en particular el de la robótica médica en la que es necesario posicionar aparatos con una gran precisión (formación de imágenes médicas, generadores de rayos, utensilios quirúrgicos).

Otras aplicaciones se refieren a nuevas máquinas, en particular máquinas herramientas con capacidad de carga importante que deben ejecutar movimientos muy precisos, sobre todo en el plano horizontal y según el eje vertical.

Claims (11)

1. Un robot del tipo que comprende un elemento de base (1) y un elemento móvil (2) acoplado a dicho elemento de base por medios de puesta en movimiento, caracterizado porque dichos medios de puesta en movimiento comprenden un primer y un segundo subconjuntos, estando dicho primer subconjunto destinado a desplazar a dicho elemento móvil (2) según una dirección sensiblemente vertical, uniendo dicho segundo subconjunto dicho primer subconjunto a dicho elemento móvil (2) e incluyendo al menos tres accionadores (4) susceptibles de actuar en paralelo para desplazar a dicho elemento móvil (2) en un plano sensiblemente horizontal independientemente de dicho primer subconjunto.

2. Un robot según la reivindicación 1ª, caracterizado porque dicho primer subconjunto comprende, para cada uno de dichos accionadores (4), un soporte (5), estando acoplados dichos soportes (5) a primeros medios motores (6), comunes a cada uno de dichos soportes (5).

3. Un robot según la reivindicación 1ª, caracterizado porque dicho primer subconjunto comprende, para cada uno de dichos accionadores (4), un soporte acoplado a primeros medios motores (32) que le son propios.

4. Un robot según una de las reivindicaciones 2ª o 3ª, caracterizado porque dichos primeros medios motores (6, 32) son llevados por dicho elemento de base (1).

5. Un robot según una de las reivindicaciones 2ª a 4ª, caracterizado porque dichos medios motores (6, 32) cooperan con soportes (5) unidos a dichos accionadores y montados deslizantes sobre dicho elemento de base (1).

6. Un robot según una cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 5ª, caracterizado porque comprende, para cada accionador (4), un soporte secundario (3) montado móvil en rotación sobre dicho elemento de base (1).

7. Un robot según la reivindicación 6ª, caracterizado porque comprende un medio motor secundario (21) asociado a cada soporte secundario (3) para arrastrar a éste.

8. Un robot según una cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 7ª, caracterizado porque cada accionador (4) comprende un conjunto de barras (9, 10, 11, 12) articuladas entre sí de manera que formen un pantógrafo.

9. Un robot según la reivindicación 8ª, caracterizado porque dichos soportes secundarios (3) presentan cada uno medios de guiado en traslación de un elemento llevado por una de dichas barras de uno de dichos pantógrafos.

10. Un robot según la reivindicación 9ª, caracterizado porque dichos soportes secundarios (3) presentan cada uno una corredera (31) en la que una roldana (18) llevada por una de dichas barras (11) de uno de dichos pantógrafos es susceptible de deslizar.

11. Un robot según la reivindicación 9ª o 10ª salvo cuando dependen de la reivindicación 7ª caracterizado porque comprende un medio motor secundario asociado a cada medio de guiado en traslación.