ES2322036T3 - Robot industrial. - Google Patents
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Abstract
Un robot industrial para mover un objeto en el espacio que comprende una plataforma estacionaria (3), una plataforma móvil (31) adaptada para soportar el objeto, y un primero (A), un segundo (B) y un tercer brazo (C) a los que están unidas las plataformas, en el que el primer brazo comprende un primer actuador (10), un primer brazo de soporte (13) influenciado por el primer actuador y giratorio alrededor de un primer eje, y una primera articulación (16, 17) montada sobre el primer brazo de soporte (13), el segundo brazo comprende un segundo actuador (11), un segundo brazo de soporte (14) influenciado por el segundo actuador y giratorio alrededor del primer eje, y una segunda articulación (18, 19) montada sobre el segundo brazo de soporte (14), y el tercer brazo comprende un tercer actuador (12), un tercer brazo de soporte (15) influenciado por el tercer actuador y giratorio alrededor de un segundo eje, y una tercera articulación (20) montada sobre el tercer brazo de soporte (15), caracterizado porque los enlaces en cada uno de la primera (16, 17) y segunda articulación (18, 19) comprende un triángulo donde la base está montada sobre la plataforma móvil (31).
Description
Robot industrial.
La presente invención se refiere a un robot
industrial que comprende un manipulador y equipo de control, en el
que el manipulador tiene tres brazos, teniendo cada brazo una
articulación que soporta una plataforma móvil. El equipo de control
comprende accionamientos y medios que incluyen un microprocesador y
software para accionar y guiar el manipulador de la manera deseada.
Para conseguir el movimiento deseado de la plataforma, las
articulaciones comprenden enlaces o varillas que se conectan de
forma articulada entre la plataforma y los brazos. Cada junta
permite un movimiento en tres grados de libertad. Los brazos están
fijados a actuadores estacionarios que permiten un movimiento en un
grado de libertad. Este movimiento comprende rotación y traslación.
La tarea de la plataforma es soportar directa o indirectamente
herramientas u objetos para movimiento, medición, procesamiento,
mecanizado, unión etc.
Más específicamente, la presente invención se
refiere a un robot industrial de acuerdo con el preámbulo de la
reivindicación 1. Se conoce a partir del documento
WO-A-99/58 301 un robot de este
tipo.
Un robot que comprende más de un brazo y en el
que al menos dos brazos forman cadenas de uniones entre actuadores
del robot y la plataforma que debe manipularse se designa como robot
de brazos paralelos o un robot cinemático paralelo. Para un robot
de brazos paralelos para movimiento de una plataforma con tres
grados de libertad (por ejemplo, en direcciones x, y, z en un
sistema cartesiano de coordenadas), se requieren tres brazos que
trabajan en paralelo. Si deben manipularse todos los seis grados de
libertad de la plataforma, x, y, z y la orientación de la
herramienta), se requieren seis brazos que trabajan en paralelo.
Cada brazo de este tipo comprende un brazo superior y un brazo
inferior. En varias aplicaciones, se desea una manipulación con una
combinación de grados de libertad para posicionamiento y grados de
libertad para orientación. Una clase de tales aplicaciones es el
trabajo interior en espacios estrechos. En ese caso, se desea a
menudo tener un robot con dos grados de libertad para la orientación
de la herramienta y solamente un grado de libertad para el
posicionamiento radial.
Para obtener un sistema de brazo rígido con una
capacidad de carga grande y un peso pequeño, los brazos inferiores
del manipulador cinemático paralelo, más próximos a la plataforma
manipulada, deberán constar de seis enlaces en total, los cuales
solamente transfieren fuerzas de compresión y de tracción. Para un
manipulador con tres grados de libertad y tres brazos, esto
significa que deben distribuirse estos seis enlaces entre los brazos
y esto solamente se puede realizar con dos combinaciones diferentes
2/2/2 o 3/2/1.
Para describir más fácilmente robots cinemáticos
paralelos que comprenden enlaces, se introducen aquí algunas
definiciones de diferentes enlaces:
- \bullet
- Enlace: un enlace es un miembro que une de forma móvil dos elementos y que permite en cada extremo, el movimiento en tres grados de libertad. Habitualmente consta de un miembro alargado rígido tal como, por ejemplo, una varilla que tiene una rótula en cada extremo. El enlace retiene los elementos a una distancia definida entre sí y solamente absorbe fuerzas de tracción o de compresión. Por lo tanto, un enlace no transfiere movimientos de torsión.
- \bullet
- Enlace doble: Un enlace doble es un miembro que une de forma móvil dos elementos, que permite en cada extremo el movimiento en tres grados de libertad, y que transfiere un momento en un plano entre los elementos. El enlace doble consta de un cuadrángulo, por ejemplo, con dos enlaces, de acuerdo con lo anterior, que forman una primera pareja de enlaces y los elementos que forman la segunda pareja de enlaces. En un caso especial, el enlace doble es un paralelogramo, en cuyo caso los dos elementos son forzados a moverse uno con respecto al otro. Puesto que todas las uniones permiten el movimiento en tres grados de libertad, esto implica que el enlace doble se puede retorcer. Por lo tanto, el enlace doble necesita ayuda de otras articulaciones para permanecer plano.
- \bullet
- Enlace doble bloqueado: Un enlace doble bloqueado es un miembro que une de forma móvil dos elementos que, en cada extremo, permite el movimiento en dos grados de libertad. El enlace doble bloqueado consta de un enlace doble de acuerdo con lo anterior, en el que al menos una diagonal está bloqueada. Esto se consigue, por ejemplo, introduciendo en el cuadrángulo un enlace adicional que no está paralelo a ninguno de los otros enlaces. Esto previene que los elementos sean desplazados, pero todavía el enlace doble bloqueado se puede retorcer.
- \bullet
- Enlace triple: Un enlace triple es un miembro que une de forma móvil dos elementos, que en cada extremo permite el movimiento en tres grados de libertad y que transfiere un momento en dos planos entre los elementos. El enlace triple consta habitualmente de dos enlaces dobles, orientados en planos diferentes, con un enlace común. En un caso especial, el enlace triple comprende un paralelogramo espacial que consta de tres enlaces paralelos de la misma longitud. Tal paralelogramo espacial se puede retorcer, pero mantiene los elementos orientados en planos paralelos.
- \bullet
- Triángulo: Un triángulo es un miembro que une de forma móvil dos elementos y que en un extremo (la base) permite el movimiento en un grado de libertad y en su otro extremo permite el movimiento en tres grados de libertad. El triángulo consta, por ejemplo, de un miembro rígido a la torsión que, en su base, está articulado a un primer elemento a través de un eje y en su otro extremo está articulado a un segundo elemento por medio de una rótula. Un triángulo puede constar también de dos enlaces de acuerdo con lo anterior, donde una de las uniones es común.
En el texto siguiente, un brazo para un robot
debería significar una articulación soportada por un brazo de
soporte. Por el concepto brazo de soporte debe entenderse un miembro
rígido a la torsión que une de forma móvil dos elementos juntos y
que, en ambos extremos, permiten el movimiento en un grado de
libertad. El brazo de soporte consta, por ejemplo, de un tubo con
una horquilla dispuesta en cada extremo a través del cual pasa un
eje. En un caso especial, los ejes están paralelos, de manera que
solamente se permite el movimiento de los elementos unidos por el
brazo de soporte en un plano. Debería mencionarse que el movimiento
comprende la rotación así como traslación. El brazo de soporte puede
transferir, desde un elemento al otro, tanto fuerzas de tracción
como de compresión, momento de torsión y momento de flexión.
Cuando se requiere el rango de trabajo en forma
de una esfera o un elipsoide, se utiliza actualmente cinemática de
serie, en la que las tres primeras uniones (ejes) son
sustancialmente sensibles al posicionamiento de la herramientas y
los otros ejes (más próximos a la herramienta) son sustancialmente
sensibles a la orientación de la herramienta. La cinemática más
comúnmente utilizada es, por lo tanto, la siguiente: el eje 1 hace
girar toda la estructura del robot, el eje 2 hace girar un primer
brazo en el plano vertical, el eje 3 hace girar un segundo brazo;
también en el plano vertical, el eje 4 hace girar la herramienta
alrededor de un eje en el centro del segundo brazo, el eje 5 hace
girar la herramienta alrededor de un eje perpendicularmente al eje
4, y el eje 6 hace girar la herramienta alrededor de un eje
perpendicular al eje 5. Esta construcción en serie del robot plantea
los siguientes problemas.
- \bullet
- El robot se vuelve pesado, lo que limita su velocidad y necesita actuadores costosos y consumidores de energía (motores). Si, además, el robot debe montarse como un subsidiario en un manipulador maestro con el fin de guiar, por ejemplo, el robot en espacios estrechos, un robot pesado del tipo subsidiario proporciona un manipulador maestro todavía más pesado y más costoso.
- \bullet
- El robot se vuelve flexible y cuando se mueven objetos o herramientas, se obtiene un movimiento oscilante no deseado a lo largo de la trayectoria a lo largo de la cual debe realizarse el movimiento y cuando el movimiento debe detenerse, se producen los llamados sobreimpulsos. Este problema se incrementa adicionalmente en el caso de una configuración master/subsidiario, de manera que se deteriora también el rendimiento del manipulador maestro.
- \bullet
- El robot se vuelve elástico cuando deben generarse fuerzas entre la herramienta y el objeto, lo que perjudica la configuración maestro/subsidiario.
- \bullet
- Para los actuadores móviles montados en serie con sensores de medición asociados, se requiere cableado móvil, que reduce la fiabilidad de robots cinemáticos en serie.
- \bullet
- Es difícil obtener una alta exactitud del robot sin proporcionar soluciones muy costosas con componentes de precisión y conjunto de precisión del robot.
- \bullet
- Debido a que las longitudes del brazo y las relaciones geométricas del robot construida en serie dependen de la temperatura, el posicionamiento de la herramienta depende de la temperatura.
Todas estas limitaciones de los robots
cinemáticos en serie utilizados actualmente se pueden eliminar con
un robot cinemático paralelo que es accionado por articulaciones que
trabajan en paralelo, que no necesitan soportarse unas con
otras.
Un ejemplo de un robot de este tipo se conoce
previamente a partir de la publicación de patente WO99/58301. este
robot tiene, en su diseño básico, tres grados de libertad y
comprende tres articulaciones que están conectadas en paralelo
entre tres actuadores de rotación y una plataforma manipulada. Cada
articulación consta de un brazo de pivote, que conectado a través
de dos varillas articuladas que trabajan en paralelo a la plataforma
manipulada. En ambos extremos de las varillas articuladas están
colocadas uniones con dos o tres grados de libertad. El robot
cinemático paralelo obtenido de esta manera tiene un rango de
trabajo toroidal alrededor de una plataforma de base, sobre la que
está montado el actuador. La plataforma manipulada no cambiará su
ángulo de inclinación durante el posicionamiento y la extensión del
rango de trabajo por encima y por debajo del robot está limitada por
varillas articuladas en paralelo entre los brazos inferiores y la
plataforma manipulada. Por esta razón, el robot no se puede diseñar
para un rango de trabajo en forma de una esfera o elipsoide.
Un manipulador cinemático paralelo que es capaz
de cambiar la inclinación de la plataforma manipulada y que tiene
la posibilidad de proporcionar un rango de trabajo en forma de una
esfera o un elipsoide se describe en la memoria descriptiva de la
patente de los Estados Unidos US 4.651.589. Dos elementos están
conectados aquí al menos a tres patas que están colocadas en planos
separados. Cada una de las patas consta de dos partes, estando
conectada cada parte en un extremo a la otra parte de la misma pata
por una conexión esférica y en el otro extremo a uno de los dos
elementos, pero no al elemento al que está conectada la otra parte
de la misma pata, por una conexión de rotación. Sin embargo, esta
estructura proporciona un rango de trabajo que es aproximadamente
un semi-elipsoide y que, por lo tanto, no es
suficiente para formar un robot capaz de trabajar en todas las
direcciones con un rango de trabajo que corresponde a un elipsoide o
esfera completa. En resumen, el manipulador descrito en el
documento US 4.651.589 tiene las siguientes limitaciones:
- \bullet
- Un rango de trabajo pequeño (como máximo un semi-elipsoide).
- \bullet
- Puesto que las patas trabajan en planos diferentes, todos los ejes de rotación de los motores de accionamiento tienen diferentes direcciones, lo que hace imposible tener dos ejes de motor paralelos o coincidentes. Sin embargo, esto es necesario para obtener un accionamiento de motor sencillo que no requiere espacio, lo que es especialmente importante cuando el manipulador debe utilizarse como una muñeca con transmisiones entre, por una parte, motores en un extremo de un brazo de robot y, por otra parte, la muñeca en el otro extremo del mismo brazo de robot.
- \bullet
- La estructura está destinada solamente para manipuladores con motores de rotación que, a través de brazos de pivote, proporcionan a la plataforma manipulada sus movimientos. En varias aplicaciones es deseable utilizar actuadores lineales sin brazos de pivote, lo que no es posible con patas que trabajan en diferentes planos.
\vskip1.000000\baselineskip
Estas limitaciones, que son fundamentales para
aplicaciones en la práctica, no están presentes en el robot
cinemático paralelo de acuerdo con la presente invención, lo que es
debido a los siguientes hechos:
- \bullet
- Dos articulaciones (que corresponden a las patas en el documento US 4.651.589) están trabajando en un plano común.
- \bullet
- Estas dos articulaciones pueden estar, por lo tanto, más próximas a la plataforma manipulada, cada una de las cuales tiene un conjunto de varias articuladas montadas sobre la plataforma manipulada con uniones donde una línea a través de estas uniones (llamada línea de guía) de un con junto de varillas articuladas está paralela a la línea de guía correspondiente del otro conjunto de varillas articuladas.
- \bullet
- Estas líneas de guía paralelas proporcionan una posibilidad de tener dos actuadores giratorios con ejes paralelos o coincidentes de rotación que, a través de brazos de pivote, manipulan las dos articulaciones.
- \bullet
- Esta configuración de los ejes del motor proporciona una posibilidad de obtener un rango de trabajo +/- 180 grados e incluso +/- 200 grados, lo que da como resultado un rango de trabajo del robot que corresponde a una esfera o elipsoide completo. Ninguna estructura cinemática paralela conocida anteriormente tiene un rango de trabajo de ángulo sólido tan grande.
- \bullet
- En el caso de ejes de rotación coincidentes, además, la plataforma manipulada puede ser girada un número infinito de vueltas alrededor del eje de rotación, que es entonces común a los dos motores, lo que hace posible programar siempre el robot para que adopte la trayectoria más próxima entre dos posiciones/orientaciones de la plataforma manipulada (no es necesario girar de nuevo una vuelta si, por ejemplo, una posición se encuentra al final de una vuelta y la posición siguiente se encuentra al comienzo de la misma vuelta.
- \bullet
- Además, con ejes de rotación coincidentes, éstos pueden ser accionados con transmisión es de tubos coaxiales, lo que permite tener los motores de accionamiento en un extremo de un brazo de rotor y los ejes para accionar las dos articulaciones en el otro extremo del brazo de robot.
- \bullet
- Las líneas de guía paralelas para las dos articulaciones permiten entonces la introducción de una tercera articulación con un conjunto de varillas articuladas que tiene una línea de guía que está perpendicular a las líneas de guía de los dos primeros conjuntos de varillas articuladas.
- \bullet
- Esto, a su vez, proporciona una posibilidad de introducir un tercer motor con un eje de rotación que está perpendicular a los ejes de rotación de los otros dos motores. De esta manera, se puede utilizar una sola transmisión de correa o una transmisión de tubo con una pareja de engranajes cónicos en una muñeca para transmitir par motor desde el motor en un extremo del brazo de robot hasta la tercera articulación.
- \bullet
- Las líneas de guía paralelas para los dos conjuntos de varillas articuladas proporcionan entonces una posibilidad de introducir, para el conjunto de varillas articuladas de la tercera articulación con una línea de guía que está perpendicular a las líneas de guía de los dos primeros conjuntos de varillas articuladas, tres varillas articuladas, de manera que un motor libremente giratorio para la tercera articulación será controlado siempre por los otros dos motores, de tal manera que la tercera articulación termina a medio camino entre las otras dos articulaciones, lo que da una configuración cinemática óptima, tanto con respecto a la magnitud del rango de trabajo como también a la rigidez y actuación del robot.
- \bullet
- Además, las líneas paralelas para las dos articulaciones proporcionan una posibilidad de montar los conjuntos de varillas articuladas con líneas de guía paralelas sobre actuadores lineales para obtener una actuación óptima en un plano. Montando entonces el tercer conjunto de varillas articuladas, con una línea de guía perpendicular a las otras líneas de guía, sobre un tercer actuador lineal, o bien directamente o a través de un brazo de pivote, se obtienen también una actuación óptima en el espacio entre los actuadores lineales.
Con esta configuración cinemática paralela, se
obtiene un robot que tiene todas las ventajas que son
características de un robot de brazos paralelos con seis enlaces a
la plataforma manipulada y que, por lo tanto, resuelve los problemas
de robots de brazos en serie descritos anteriormente. Al mismo
tiempo, se imparte a este robot una agilidad, tan grande como la de
un robot antropomórfico en serie, que implica que puede ser
utilizado, por ejemplo, en espacios estrechos. Sin embargo, la
agilidad permite utilizar esta estructura de robot también en otras
aplicaciones. A continuación se dan algunos ejemplos de campos de
aplicación de robots cinemáticos paralelos, compuestos de acuerdo
con la estructura descrita en este documento de patente:
- \bullet
- Soldadura de arco, generalmente en configuración maestro/subsidiario, por ejemplo en módulos de buques.
- \bullet
- Soldadura por puntos, por ejemplo, en carcasas de ruedas.
- \bullet
- Encolado, cementación, pintura, por ejemplo dentro de compartimientos de motor, botes, fuselajes.
- \bullet
- Montaje, por ejemplo dentro de carrocerías de coches en una configuración maestro/subsidiario.
- \bullet
- Medición, por ejemplo, en bloques de motor, carcasas de cajas de cambios y carrocerías de automóviles.
- \bullet
- Rectificado, desbarbado, trituración, perforación, etc. por ejemplo, en bloques de motor, carcasas de cajas de cambio, cierta fundición.
- \bullet
- Corte con láser, corte con chorro de agua, por ejemplo en componentes de automóviles y aviones.
- \bullet
- Mecanizado, donde el robot se utiliza para insertar y extraer objetos en varios tipos de máquinas, por ejemplo máquinas de operaciones múltiples, máquinas de fundición, estampas y prensas de alta presión.
El objeto de la presente invención es sugerir
maneras y medios de producción de un robot cinemático paralelo que
muestra un rango de trabajo grande y que previene que los brazos del
robot sean sometidos a fuerzas desfavorables.
Esto se consigue por medio de un robot
industrial como se define en la reivindicación 1.
Desde un primer aspecto de la invención, el
manipulador comprende una articulación que permite al elemento móvil
un movimiento en el espacio a lo largo de un esferoide, donde el
radio se varía y con brazos giratorios. Desde un segundo aspecto de
la invención, el manipulador comprende una articulación que permite
el mismo movimiento, pero con brazos de soporte, cuyo movimiento
implica traslación. En un caso especial, se hace referencia una
traslación lineal recta.
El manipulador, que es común en todos los
aspectos, comprende un primer brazo de soporte, un segundo brazo de
soporte, y un tercer brazo de soporte. El tercer brazo de soporte se
referirá a continuación también como el brazo de soporte central.
Además de ser articulado alrededor de un primer eje, alrededor del
cual está dispuesto el sistema de accionamiento, este brazo de
soporte central está articulado también libremente alrededor de un
segundo eje dispuesto sustancialmente en un plano perpendicular al
eje de accionamiento. El método para impartir al brazo central
solamente fuerzas transversales pequeñas compren de adaptar el brazo
central, por conexiones a los otros brazos, para adoptar una
posición entre éstos.
La invención comprende robots que están
compuestos por un sistema de brazos cinemáticos paralelos accionado
por actuadores. El sistema de brazos comprende tres articulaciones
de trabajo paralelas (A, B, C) que conectan los actuadores (10, 11,
12B) a la plataforma (31) que debe ser manipulada. Más próxima a la
plataforma (31) manipulada, la articulación comprende varillas
articuladas (16, 17, 18, 19, 20, 21) y es la configuración de estas
varillas articuladas junto con la configuración de los actuadores
(10, 11, 12B) y la plataforma manipulada (31) lo que da al robot
sus propiedades únicas. Para bloquear todos los seis grados de
libertad de la plataforma manipulada, se utiliza un total de al
menos seis varillas articuladas. De esta manera, cada varilla
articulada solamente tendrá que transmitir fuerzas de tracción y de
compresión, lo que permite a las varillas articuladas ser realizadas
muy rígidas, ligeras y exactas.
Las articulaciones están montadas sobre la
plataforma (31) por medio de uniones (23, 24, 26, 27, 29, 30) que
tienen uno, dos o tres grados de libertad. Las varillas articuladas
están distribuidas de tal manera que cada articulación comprende al
menos dos varillas articuladas para formar conjuntos de varillas
articuladas (16, 17, 18, 19,20, 21). Para obtener las fuerzas lo
más pequeñas posible en las varillas articuladas con respecto a
pares de torsión de la plataforma (3), las uniones que tienen las
mismas articulaciones se montan lo más lejos posible entre sí sobre
la plataforma. Un conjunto de varillas articuladas asociadas con la
misma articulación se monta con un conjunto de uniones (23, 24; 26,
27; 29, 30) sobre la plataforma manipulada (31. En el otro extremo,
las varillas articuladas de al menos dos de los tres conjuntos de
varillas articuladas (16, 17; 18, 19) se montan sobre una unión
común (22, 25). En el caso de que las uniones entre un conjunto de
varillas articuladas y la plataforma solamente tengan un grado de
libertad, los ejes de rotación de esas uniones (23, 24; 26, 27; 20,
21) que pertenecen al mismo conjunto de varillas articuladas deben
coincidir. La unión común (22, 25, 29) para una pareja de varillas
articuladas debería tener dos o tres grados de libertad y los dos o
tres ejes de rotación de una unión común deberían coincidir con el
fin de que el modelo cinemático del robot no sea demasiado
complejo. Para obtener la imagen de carga más favorable en la unión
común las varillas articuladas que se montan encima deberían
apuntar hacia dentro hacia el centro de la unión, donde los dos o
tres ejes de rotación se intersectan entre sí
La unión común (22, 25, 28) para un conjunto de
varillas articuladas se puede montar o bien sobre un brazo de
pivote (13, 14, 15) o sobre un carro (40, 41, 42) que se mueve a lo
largo de una trayectoria (3, 3B). Los brazos de pivote y los carros
son accionados por actuadores (10, 11, 12) dan lugar a una
transferencia combinada y a un movimiento giratorio de la plataforma
manipulada (31).
Sobre la base de este diseño fundamental de un
robot cinemático paralelo, la invención comprende un número de
formas de realización ventajosas.
La invención comprende la característica de que
en dos de los tres conjuntos (16, 17; 18, 19) de varillas
articuladas, los enlaces incluidos están montados sobre brazos de
pivote (13, 14) con la ayuda de una unión (22, 25), que es común a
cada conjunto de varillas articuladas. En sus otros extremos, los
dos conjuntos (16, 17; 18, 19) de varillas articuladas están
montadas sobre una plataforma (31) por medio de uniones de tal
manera que las uniones (23, 24) que pertenecen a uno (16, 17) de
los conjuntos de varillas articuladas están colocadas sobre una
línea que está paralela a la línea correspondiente a través de las
uniones (26, 27) del otro (18, 19) de los dos conjuntos de varillas
articuladas. El concepto inventivo comprende también la
característica de que estas líneas pueden ser coincidentes, lo que
implica que las uniones (23, 24, 26, 27) de dos conjuntos de
varillas articuladas hacia la plataforma (31) estén montadas a lo
largo de una y la misma línea.
Adicionalmente, las líneas paralelas o
coincidentes mencionadas anteriormente están paralelas a los ejes
de rotación de los brazos (13, 14) sobre los que están montados los
dos conjuntos (16, 17; 18, 19) de las varillas articuladas. Estos
ejes de rotación son los mismos que los ejes de rotación de los
actuadores que accionan estos brazos (13, 14). Además, en esta
forma de realización, la tercera articulación (C) está montada
entre un tercer actuador (12B) y la plataforma (31). El eje de
rotación del tercer actuador (12B) se selecciona esencialmente
perpendicular a los ejes de rotación de los otros dos actuadores
(10, 11), lo que provoca que el tercer brazo (15) oscile en un plano
perpendicular al plano en el que están oscilando los dos brazos (13,
14) mencionados anteriormente.
El concepto inventivo comprende también la
característica de tener el tercer actuador (12B) pivotando
libremente sobre la columna (13)por medio de un cojinete
(12A), cuyo eje de rotación coincide preferentemente con los ejes
de rotación de los dos primeros actuadores (10, 11). Introduciendo
entonces una séptima varilla articulada (21C) en la plataforma (31)
se puede bloquear el grado de libertad añadido a través de dicho
cojinete (12A). Esta séptima varilla articulada es introducida
adecuadamente en el tercer conjunto de varillas articuladas (20,
21, 21C), que está colocado entre el tercer brazo de pivote (15) y
la plataforma (31). La tercera articulación (C) está configurada de
tal forma que al menos dos de tres varillas articuladas incluidas en
el conjunto de varillas articuladas se colocan paralelas. Para
prevenir rotaciones de la plataforma (31) cuando el tercer brazo
(15) está oscilando, la línea a través de las uniones (29, 30C, 30)
que conecta el tercer conjunto de varillas articuladas (20, 21,
21C) a la plataforma (31) debería estar paralelo a la línea a través
de las uniones (28A, 28C, 28B) que conectan el tercer conjunto de
varillas articuladas (20, 21, 21C) al tercer brazo (15) y, al mismo
tiempo, en paralelo al eje de rotación del tercer brazo (15) y al
tercer actuador (12B). Al mismo tiempo, este diseño provocará que
la plataforma (31) haga girar el tercer actuador (12B) sobre el
cojinete (12A) sobre la columna 3, de tal manera que el tercer brazo
(15) oscilará siempre en un plano que está perpendicular al plano,
en el que están oscilando los dos primeros brazos (13, 14) y,
además, el tercer brazo (15) estará situado siempre a medio camino
entre los dos primeros brazos (13, 14), lo que proporciona un rango
de trabajo máximo para el robot.
La invención comprende también montar el tercer
actuador sobre otro actuador (12D) que es capaz de hacer girar el
tercer actuador alrededor de un eje que está esencialmente
perpendicular al eje de rotación del segundo actuador (12D).
También forma parte del concepto inventivo que
al menos dos de los conjuntos (16, 17; 18, 19) de varillas
articuladas están montados por medio de dichas uniones comunes (22,
25) sobre carros (40, 41) y que se provoca que la plataforma
manipulada (31) se mueva controlando las posiciones de dichos carros
con la ayuda de los actuadores (10, 11). Para evitar la rotación de
la plataforma (31), los dos conjuntos (16, 17; 18, 19) de varillas
articuladas están montados sobre la plataforma (31) por medio de
uniones (23, 24; 26, 27) de tal manera que una línea (línea de
guía) a través de las uniones (23, 24) que pertenecen a uno (16, 17)
de los dos con juntos de varillas articuladas se coloca paralelo o
coincide con una línea (línea de guía) correspondiente a través de
las uniones (26, 27) que pertenecen al otro (18, 19) de los dos
conjuntos de varillas articuladas. Además, dichos dos carros (40,
41) están montados de una manera adecuada de tal forma que los
movimientos de los mismos son realizados en un plano perpendicular a
las líneas de guía mencionadas anteriormente en una posición en la
que la plataforma (31) está aproximadamente en el centro de su rango
de trabajo. Para obtener un rango de trabajo bien utilizado, estos
carros deberían moverse, además, a lo largo de trayectorias
mutuamente paralelas.
También forma parte del concepto inventivo
formar el tercer conjunto de varillas articuladas (30, 21) o bien
en forma de un paralelogramo con dos uniones en cada extremo de las
varillas articuladas o en forma de un paralelepípedo con dos uniones
en cada extremo de las varillas articuladas o en forma de un
triángulo equilátero o en forma de tres varillas articuladas, a lo
sumo des de las cuales pueden estar paralelas. Las varillas (20, 21)
articuladas incluidas en el tercer conjunto de varillas articuladas
están montadas por uniones (29, 30) sobre la plataforma (31), de tal
manera que una línea entre estas uniones se coloca
perpendicularmente a las líneas paralelas descritas anteriormente
para las uniones entre los dos primeros conjuntos (16, 17; 18, 19)
de varillas articuladas y la plataforma (31). De esta manera, se
evita la rotación de la plataforma cuando la plataforma es
manipulada.
De acuerdo con la invención, para obtener un
rango de trabajo grande de la forma de realización del robot con
carros (40, 41, 42), el tercer conjunto (20, 21) de varillas
articuladas puede estar montado sobre una disposición de brazo de
palanca (15, 46, 44, 45) conectada al segundo y tercer carros (41,
42). El cometido de la disposición de brazo de palanca (45, 44, 46,
15) consiste en impartir movimientos grandes al conjunto (20, 21)
de varillas articuladas, es decir, mover la plataforma manipulada
(31) sustancialmente perpendicular a la dirección de movimiento de
los carros (40, 41, 42). Además, para obtener un rango máximo de
trabajo, las trayectorias lineales (3A, 3B), sobre las que se mueven
los carros, están paralelas y están montadas de tal manera que las
articulaciones (16, 17; 18, 19; 20, 21) son capaces de moverse entre
trayectorias lineales.
El concepto inventivo comprende también montar
sobre la plataforma manipulada (31) una muñeca con uno, dos o tres
ejes. El concepto inventivo comprende también utilizar el robot como
robot subsidiario para realizar varias operaciones dentro de un
espacio (1) más o menos cerrado. Como un robot subsidiario, el robot
se puede utilizar también como una muñeca para un robot mayor, en
cuyo caso los movimientos del robot son sincronizados a los
movimientos del robot mayor.
La invención se explicará con más detalle por
medio de formas de realización con referencia al dibujo que se
acompaña, en el que:
La figura 1 muestra un tipo de rango de trabajo
(6) para el que el robot es especialmente adecuado.
La figura 2 muestra un robot de acuerdo con la
invención con tres brazos de pivote, en e que dos de los ejes de
rotación de los brazos de pivote coinciden para dar al robot un
rango de trabajo que corresponde a un elipsoide completo o una
esfera de acuerdo con la figura 1.
La figura 3 muestra un robot de acuerdo con la
invención con dos trayectorias lineales, sobre las que son guiados
tres carros para obtener un robot similar a un pórtico con un rango
de trabajo ampliado, en el que las partes delantera y trasera del
rango de trabajo tienen la forma de un
semi-elipsoide o de una
semi-esfera.
La figura 4 muestra un robot de acuerdo con la
invención con tres brazos de pivote, en el que dos de los ejes de
rotación de los brazos de pivote coinciden y en el que la plataforma
manipulada comprende dos ejes ajustados angularmente. Sobre un eje
están montadas cuatro de las uniones de la plataforma con un eje
coincidente.
La figura 5 muestra un robot de acuerdo con la
invención con cuatro motores para impartir un grado extra de
libertad de rotación a la plataforma manipulada.
La figura 6 muestra una alternativa a la
configuración de las varillas articuladas para la plataforma móvil
31.
La figura 1 muestra esquemáticamente un caso que
se produce con frecuencia cuando se utilizan robots industriales en
un espacio más o menos cerrado. El espacio está limitado de acuerdo
con la figura por paredes 1, sobre cuyo lado interior se pueden
realizar operaciones tales como soldadura, pintura, rectificado,
corte, medición, mecanizado, montaje, etc., como se indica por las
flechas 2. Para mover el robot 4 al espacio en cuestión, se utiliza
un manipulador externo con una estructura de columna 3, que es capaz
de ser manipulado al menos hacia arriba y hacia abajo. Para
permitir que el robot mueva la herramienta 5 a las posiciones y
orientaciones mostradas por las flechas, se requiere un rango de
trabajo 6 espaciado esférica o elípticamente para el robot. Además,
la cinética del robot debería diseñarse de tal forma que el
porta-herramientas, sobre el que está montada la
herramienta 5, apunta aproximadamente radialmente hacia fuera desde
el rango de trabajo esférico/elíptico 6. De esta manera, se
aplicará menos demanda sobre la accesibilidad de la muñeca que debe
dirigir la herramienta 5 de acuerdo con las flechas 2. Como se
indica en la figura, se puede utilizar un robot convencional de
tipo en serie con la llamada flexión hacia atrás. Sin embargo, tal
robot tiene una pluralidad de inconvenientes, por ejemplo un peso
grande, exactitud baja (absoluta, relativa, dependencia de la
temperatura), flexibilidad considerable, tiempos de ciclo largos
(baja aceleración, velocidad), y sensibilidad ambiental. Para
solucionar estos inconvenientes, se puede utilizar un robot
cinemático paralelo. Sin embargo, el requerimiento especial para el
rango de trabajo requiere un tipo totalmente nuevo de cinemática
paralela.
La figura 2 muestra una forma de realización un
robot industrial cinemático paralelo de acuerdo con la invención,
que cumple los requerimientos cinemáticos que se plantean para una
aplicación con un rango de trabajo de acuerdo con la figura 1. La
columna 3, que se utiliza para bajar el robot dentro del espacio
donde debe trabajar, constituye al mismo tiempo la estructura de
base del robot, sobre la que están montados los actuadores 10 y 11.
El actuador 12B está conectado de forma articulada a la columna 3 a
través del cojinete horizontal 12A, que tiene su eje de rotación
coincidiendo con la línea central de la columna 3. La herramienta y
la muñeca, que se muestran en la figura, están montadas sobre la
plataforma manipulada 31. esta plataforma es manipulada por los
actuadores 10, 11 y 12B con la ayuda de tres articulaciones A, B y
C. La articulación A para el actuador 10 comprende el brazo
inferior 12, a unión 22, los enlaces 16 y 17 y las uniones 23 y 24
que están montadas sobre la plataforma manipulada 31. De una manera
correspondiente, la articulación B para el actuador 11 comprende el
brazo inferior 14, la unión 25, los enlaces 18 y 19 y las uniones 26
y 27. La articulación C para el actuador 12B comprende el brazo
inferior 15, las uniones 28A, 28B y 28C, las uniones 20, 21 y 21C
así como las uniones 29, 30 y 30C. Las uniones 22 y 25 pueden estar
diseñadas con dos o tres grados de libertad y las uniones 23, 24,
26, 27, 28A, 28B, 28C, 29, 30 y 30C pueden estar diseñadas con uno,
dos o tres grados de libertad. En el caso de un grado de libertad,
los ejes de rotación de las uniones que pertenecen a la misma
articulación deben tener ejes paralelos coincidentes de rotación. En
el caso de dos grados de libertad, se pueden utilizar uniones
cardánicas u otras configuraciones de las uniones ajustadas
angularmente, y en el caso de tres grados de libertad, se pueden
utilizar uniones universales o rótulas. Para prevenir que se formen
tensiones en la estructura del robot, para cada varilla articulada
las uniones en un extremo deberían tener tres grados de libertad y
las uniones en el otro extremo deberían tener dos o tres grados de
libertad. Si se desea un robot extremadamente ligero y rápido, todas
las uniones sobre la plataforma deberían diseñarse en forma de
rótulas. Las uniones 22 y 25 constituyen un caso especial, siendo la
tarea de estas uniones impartir a las varillas articuladas 16, 17 y
18, 19, respectivamente, ejes comunes de rotación con relación a
los brazos 13 y 14, respectivamente. En el caso de rótulas, esto se
puede con seguir de la manera más sencilla montando dos varillas
articuladas sobre la misma bola o casquillo. El montaje se realiza
con preferencia de tal manera que las varillas articuladas apuntan
hacia dentro hacia el centro de la rótula. En el caso de una junta
universal o junta cardánica, las dos varillas articuladas se montan
adecuadamente sobre la misma carcasa de cojinete y de tal manera que
apuntan hacia dentro hacia el centro cinemático de la junta.
Cuando un actuador 12B es girado, el brazo
inferior 15 manipulará la plataforma 31, a través de las
articulaciones 20, 21 y 21C, hacia arriba y hacia abajo en la
figura. Este movimiento de la plataforma será un movimiento
circular alrededor del eje dado por la línea de conexión entre el
centro de la junta 22 y el centro de la junta 25. Si las uniones 22
y 25 pueden gestionar en una medida suficiente deflexiones angulares
grandes (lo que se obtiene de una manera sencilla con juntas
universales), la plataforma 31 puede ser girada alrededor de más de
180 grados por el brazo inferior 15. Cambiando entonces el ángulo
entre los brazos inferiores 13 y 14 por medio de los actuadores 10
y 11, la línea de conexión entre el centro de la junta 22 y el
centro de la junta 25 se moverá en la dirección radial con respecto
a la columna 3, lo que da como resultado una traslación
correspondiente del movimiento circular de la plataforma 31, lo que,
a su vez, da lugar a un rango de trabajo elíptico del robot.
Entonces, si los brazos inferiores 13 y 14 son
girados de forma sincronizada en la misma dirección, se obtendrá el
rango de trabajo elíptico en todas las direcciones radialmente hacia
fuera desde el centro de la columna 3. Esto presupone que el
actuador 12B es girado alrededor del cojinete 12A, de tal manera que
el brazo 15 está situado siempre entre los brazos 13 y 14. esto se
garantiza de hecho por la estructura de enlace en la articulación
C. Ajustando angularmente al menos una varilla articulada (21C), los
brazos 13 y 14 harán girar el brazo 15, a través de la plataforma
31 y los enlaces 20, 21 y 21C, de tal manera que el brazo termina
siempre a medio camino entre los brazos 13 y 14. De esta manera, se
obtiene un rango de trabajo en forma de un elipsoide completo
alrededor de la columna 3, que es un requerimiento realizado de
acuerdo con la figura 1.
Para prevenir que la plataforma 31 gire
alrededor de su vertical cuan do es manipulada, las uniones 23 y 24
son montadas sobre una línea que está paralela a una línea a través
de las uniones 26 y 27. estas líneas están entonces paralelas a los
ejes de rotación de los actuadores 10 y 11. Para obtener un rango de
trabajo simétrico, además, los ejes de rotación de los actuadores
10 y 11 deberían coincidir. Otro requerimiento para prevenir
rotaciones de la plataforma alrededor de su vertical es que una
línea a través de las uniones 29, 30C y 30 está paralela a una
línea a través de las uniones 28A, 28C y 28B (montadas sobre una
estructura en T del brazo (15) que, a su vez, está paralela al eje
de rotación del actuador 12B. Para que el brazo 15 esté siempre
situado a medio camino entre los brazos 13 y 14, se requiere,
además, que el eje de rotación del actuador 12B esté perpendicular a
los ejes de rotación 10 y 11. esto significa, a su vez, que la línea
a través de las uniones 29, 30 y 30C está perpendicular a la línea a
través de las líneas 23 y 24 y la línea a través de las uniones 26 y
27.
Para reducir el peso del robot, los actuadores
(adecuadamente los motores con engranaje) para hacer girar los
brazos alrededor pueden estar localizados en la parte superior de la
columna 3, de manera, por ejemplo, se utilizan transmisiones de
tubos para aplicar movimientos de rotación a los brazos inferiores.
Entonces debería ser posible considerar el robot como una muñeca
para el manipulador que baja el robot al espacio en el que el robot
debe trabajar. En casos en los que se desea tener una muñeca rígida
y ligera para un robot convencional o para un robot de brazo
paralelo, se podría aplicar directamente la estructura cinemática de
la figura 2.
La figura 3 muestra una forma de realización, en
la que la columna para bajar el robot al espacio en cuestión está
sustituida por dos trayectorias lineales 3A y 3B, que están montadas
en paralelo entre sí. Sobre otras trayectorias 3 existen tres
carros 40, 41 y 42, que son accionados por los actuadores 10, 11 y
12, respectivamente. La propulsión se puede realizar por medio de
tornillos esféricos o correas, pero otra posibilidad consiste en
utilizar motores lineales. Las tres articulaciones A, B y C se
conectan aquí a los carros 40, 41 y 42. Por lo tanto, la unión 22
está montada sobre el carro 40, la unión 25 sobre el carro 41 y la
unión 28 sobre el carro 42 través del brazo 15, la unión 46, el
enlace 44 y la unión 45. Esta disposición para la unión 28 se
utiliza para obtener un movimiento de pivote del brazo 15, que se
fija de forma articulada al soporte 43, que está montado sobre el
carro 41. Cuando los carros 42 y 41 se mueven relativamente entre
sí, el brazo 15 realizará un movimiento de pivote, lo que imparte un
movimiento circular a la plataforma 31 alrededor de la línea que
conecta la unión 25 a la unión 22. Esta línea puede ser entonces
transferida y girada moviendo los carros 40 y 41 relativamente entre
sí, lo que provoca un patrón de movimiento elipsoidal.
Para evitar rotaciones de la plataforma 31
alrededor de su vertical cuando la plataforma es manipulada, se
plantean ciertos requerimientos sobre las articulaciones A, B y C.
Por lo tanto, las uniones 23 y 24 y las uniones 26 y 27 deben
montarse sobre la plataforma 31 de tal manera que una línea de guía
a través de las líneas 23 y 24 se coloca paralela a una línea de
guía correspondiente a través de las líneas 26 y 27. Estas líneas de
guía deben estar entonces ambas perpendiculares a una línea a través
de las líneas 29 y 30. Además, es deseable que los carros 40 y 41 se
muevan a lo largo de un plano común a lo largo de planos paralelos y
que las trayectorias de movimiento de los carros estén
paralelas.
Con respecto a la articulación C, la unión 28 o
bien puede estar montada directamente sobre el carro 42 o, como en
la figura 3, sobre un brazo de palanca 15, que está montado de forma
articulada sobre el soporte 43. El brazo 15 puede ser accionado,
naturalmente, por un actuador de rotación que está montado sobre el
carro 41, pero en ese caso se puede utilizar cableado móvil para
alimentar y controlar el actuador 12. Una ventaja de la disposición
de la figura 3 es que los actuadores 10, 11 y 12 están todos
montados fijamente y que, por lo tanto, no se requiere cableado
móvil, lo que proporciona una elevada fiabilidad y un bajo
coste.
La figura 4 muestra una variante de la figura 2,
con la diferencia de que las uniones 23, 24 y 26, 27,
respectivamente, no sólo están montadas en paralelo sobre la
plataforma 31, sino que, además, están montadas a lo largo de una
línea recta. Esto proporciona una posibilidad de diseño de una
plataforma sencilla, que solamente consta de dos ejes 31A y 31B
ajustados angularmente, sobre los que se montan cojinetes de bolas o
de rodillos. El eje vertical 31A, sobre el que se montan las uniones
23, 24, 26 y 27, está adecuadamente paralelo a la columna 3 y, por
lo tanto, paralelo a los ejes de rotación de los actuadores 10 y 11,
mientras que el eje 31B ajustado angularmente está montado de una
manera adecuada en el plano horizontal perpendicular al eje vertical
y paralelo al eje de rotación del actuador 12B.
Cuando el actuador 12B es girado, los brazos
inferiores 15 manipularán la plataforma 31 hacia arriba y hacia
abajo en la figura a través de los enlaces 20, 21 y 21C. Este
movimiento de la plataforma será un movimiento circular alrededor
del eje dado por la línea de conexión entre el centro de la unión 22
y el centro de la unión 25. Entonces, cambiando el ángulo entre los
brazos 13 y 14, por medio de los actuadores 10 y 11, la línea de
conexión entre la unión 22 y el centro de la unión 25 será movida en
una dirección radial con relación a la columna 3, lo que provoca una
traslación correspondiente que es impartida al movimiento circular
de la plataforma 31, lo que, a su vez, da lugar a un rango de
trabajo elíptico del robot.
Entonces, si los brazos inferiores 13 y 14 se
giran de forma sincronizada en la misma dirección, se obtendrá el
rango de trabajo elíptico en todas direcciones radialmente fuera
desde el centro de la columna 3. Esto presupone que el actuador 12B
es girado alrededor del cojinete 12A, de tal manera que el brazo 15
estará situado siempre entre los brazos 13 y 14. Esto se garantiza
por la estructura de enlace de la articulación C. Esta articulación
comprende tres varillas articuladas 20, 21C y 21, que no están
paralelas entre sí, contrariamente a la estructura de enlace
correspondiente en la figura 2, donde dos varillas articuladas están
paralelas. El objeto de esta estructura de tres enlaces, además de
bloquear dos grados de libertad de la plataforma, consiste también
en bloquear el grado de libertad que surge en la unión 12A. Por lo
tanto, los tres enlaces 20, 21C y 21 provoca que los brazos 13 y 14
a través de la plataforma 31 y la articulación C hagan girar el
actuador 12B alrededor de la unión 12A, de tal manera que el brazo
15 terminará siempre a medio camino entre los brazos 13 y 14. De
esta manera, se obtiene un rango de trabajo en forma de un elipsoide
completo alrededor de la columna 3, que es el requerimiento
planteado de acuerdo con la figura 1. Las tres varillas articuladas
20, 21C y 21 están montadas entre el eje transversal de la
plataforma 31B y la varilla 15B sobre el brazo 15. Este montaje se
realiza de tal manera que una línea a través de las uniones 29, 30C
y 30 está paralela a una línea correspondiente a través de las
uniones 28A, 28C y 28B y de tal manera que estas líneas están
paralelas a un eje de rotación del actuador 12B. Además, estas
líneas están perpendiculares a los ejes de rotación de los
actuadores 10 y 11.
Para prevenir que la plataforma 31 gire
alrededor de su vertical cuando es manipulada, las uniones 23 y 24
están montadas sobre una línea que está paralela a una línea a
través de las uniones 26 y 27. Estas líneas están entonces
perpendiculares a los ejes de rotación de los actuadores 10 y 11.
Para obtener un rango de trabajo simétrico, los ejes de rotación de
los actuadores 10 y 11 deberían, demás, coincidir.
La figura 5 muestra otra variante de la
estructura del robot de la figura 2. Aquí, el cojinete 12A está
sustituido por un actuador giratorio 12D, que es capaz de hacer
girar el actuador 12C alrededor de un eje perpendicular al eje de
rotación del actuador 12C y coincidir con una línea central de la
columna 3. este cuarto actuador proporciona una posibilidad de
impartir a la plataforma 31 un cuarto grado de libertad, capaz de
ser manipulada, que consiste en un movimiento de rotación alrededor
de un eje que se extiende a través de la unión 29. La unión 29 es,
en esta estructura, común a las varillas articuladas 20 y 21, que
está montada en su otro extremo con las uniones 28A y 28B,
respectivamente, sobre el brazo 15.
Cuando los actuadores 10 y 11 hacen girar los
brazos 13 y 14, respectivamente, se impartirá un movimiento dirigido
radialmente, como se ve aproximadamente desde la columna 3, a la
plataforma 31. Cuando el actuador 12C hace girar el brazo 15, visto
aproximadamente, impartirá un movimiento ascendente/descendente a la
plata forma y cuando el actuador 12D hace figurar el actuador 12D,
se obtiene una rotación de la plataforma 31 alrededor de un eje que
se extiende desde la unión 29. La unión 29 tiene tres grados de
libertad y las uniones 18A y 28B tienen uno, dos o tres grados de
libertad. En el caso de un grado de libertad,. Las uniones 28A y 28B
están montadas de tal manera que los ejes de rotación de estas
uniones coinciden y se colocan paralelos al eje de rotación del
actuador 12C.
La figura 6 muestra una alternativa a la
configuración de las varillas articuladas para la plataforma móvil
31. aquí, una varilla articulada (21) han sido movida desde el brazo
inferior 15 hasta el brazo inferior 14 y una varilla articulada ha
sido removida desde el brazo inferior 15, que está ahora solamente
conectada al brazo inferior a través de una articulación (20). Al
mismo tiempo, el cojinete 12A ha sido removido y el actuador 12B es
girado ahora alrededor por el actuador 11 a través del acoplamiento
fijo 47. Los tres enlaces 18, 19 y 21 tienen una unión común 25 con
el brazo inferior 14. En este diseño de disposiciones triangulares,
las uniones 26, 27 y 30 puede ser también eliminadas (ningún grado
de libertad entre las uniones 189, 19, 21 y la plataforma 31).
Debería indicarse aquí que también las uniones 24 y 23 pueden ser
simplificadas e implementadas con un grado de libertad a lo largo de
un eje común.
La invención comprende robots que están
compuestos de un sistema de brazos cinemáticos paralelos accionado
por actuadores. El sistema de brazos comprende tres articulaciones
A, B, C que trabajan en paralelo, que conectan los actuadores 10,
11, 12B a la plataforma 31 a manipular. Muy cerca de la plataforma
manipulada 31, las articulaciones comprenden varillas articuladas
16, 17, 18, 19, 20, 21 y es la configuración de estas varillas
articuladas junto con la configuración de los actuadores 10, 11, 12
y la plataforma manipulada 31 lo que da al robot sus propiedades
únicas. Para bloquear todos los seis grados de libertad de la
plataforma manipulada, se utiliza un total de al menos seis varillas
articuladas. De esta manera, cara varilla articulada solamente
necesitará transmitir fuerzas de tracción y de compresión, que
permiten a las varillas articuladas ser realizadas muy rígida,
ligeras y exactas.
Las varillas articuladas están montadas sobre la
plataforma 31 con la ayuda de uniones 23, 24, 26, 27, 30 que tienen
uno, dos o tres grados de libertad. Las varillas articuladas están
distribuidas de tal forma que cada articulación comprende al menos
dos varillas articuladas para formar conjuntos de varillas
articuladas 16, 17; 18, 19; 20, 21. Para obtener fuerzas lo más
pequeñas posible en las varillas articuladas con respecto a
momentos de torsión de la plataforma 31, estas uniones que
pertenecen a la misma articulación están montadas sobre la
plataforma lo más alejadas posible entre sí. Un conjunto de varillas
articuladas que pertenecen a la misma articulación está montado con
un conjunto de uniones 23, 24; 26, 27; 30, 31 sobre la plataforma
manipulada. En el otro extremo, en al menos dos de los tres
conjuntos de varillas articuladas 16, 17; 18, 19, las varillas
articuladas están montadas sobre una unión común 22, 25. En el caso
de que las uniones entre un conjunto de varillas articuladas y la
plataforma solamente tengan un grado de libertad, los ejes de
rotación de esas uniones 23, 24; 26, 27; 20, 21, que pertenecen al
mismo conjunto de varillas articuladas, coincidirán. La unión común
22, 25, 28 para una pareja de varillas articuladas deberá tener dos
o tres grados de libertad y los dos o tres ejes de rotación de una
unión común deberían coincidir con el fin de que el modelo
cinemático del robot no sea demasiado complejo. Para obtener la
imagen de carga más favorable en la unión común, las varillas
articuladas que están montadas encima deberían apuntar hacia dentro
hacia el centro de la unión, donde los dos o tres ejes de rotación
se intersectan entre sí.
La unión común 22, 25, 28 para un conjunto de
varillas articuladas puede estar montada o bien sobre un brazo de
pivote 13, 14, 15 o sobre un carro 40, 41, 42 que se mueve a lo
largo de una trayectoria 3A, 3B. Los brazos de pivote y los carros
son accionados por actuadores 10, 11, 12 que, a través de las tres
articulaciones A, B, C, dan lugar a una transferencia y a un
movimiento de rotación combinados de la plataforma manipulada
31.
Sobre la base de este diseño básico de un robot
cinemático paralelo, la invención comprende un número de formas de
realización ventajosas.
El concepto inventivo comprende montar, en dos
de los tres conjuntos de varillas articuladas 16, 17; 18, 19, los
enlaces incluidos sobre brazos de pivote 13, 14 con la ayuda de una
unión 22, 25 que es común a cada conjunto de varillas articuladas.
En sus otros extremos, los dos conjuntos de varillas articuladas
16, 17; 18, 19 están montados sobre una plataforma 31 con uniones,
de tal manera que esas uniones 23, 24, que pertenecen a uno de los
conjuntos de varillas articuladas 16, 17, están colocadas sobre una
línea que está paralela a una línea correspondiente a través de las
uniones 26, 27 del otro 18, 19 de los dos conjuntos de varillas
articuladas. También forma parte del concepto de la invención que
estas líneas pueden coincidir, lo que significa que las uniones 23,
24, 26, 27 de ambos conjuntos de varillas articuladas hacia la
plataforma 31 están montadas a lo largo de una y la misma línea.
Además, las líneas paralelas o coincidentes
mencionadas anteriormente están paralelas a los ejes de rotación de
los brazos 13, 14 sobre los que se montan los dos conjuntos de
varillas articuladas 16, 17M; 18, 19. Estos ejes de rotación son los
mismos que los ejes de rotación de los actuadores 10, 11 que
accionan estos brazos 13, 14. Además, en esta forma de realización,
la tercera articulación C está montada entre un tercer actuador 12B
y la plataforma 31. El eje de rotación del tercer actuador 12B está
seleccionado esencialmente perpendicular a los ejes de rotación del
tercer brazo 15 para oscilar en un plano perpendicular al plano, en
el que los dos brazos 13, 14 mencionados anteriormente están
oscilando.
El concepto inventivo comprende también tener un
tercer actuador 12B que pivota libremente sobre la columna 13 por
medio de un cojinete 12A, cuyo eje de rotación coincide con
preferencia con los ejes de rotación de los dos primeros
actuadores 10, 11. Introduciendo entonces una séptima varilla
articulada 21C para la plataforma 31, se puede bloquear el grado de
libertad añadido a través de este cojinete 12A. Esta séptima varilla
articulada es introducida de una manera adecuada en el tercer
conjunto de varillas articuladas 20; 21, 21C, que está localizado
entre el tercer brazo de pivote 15 y la plataforma 31. La tercera
articulación C está configurada de tal manera que un máximo de dos
de las tres varillas articuladas incluidas en el conjunto de
varillas articuladas están paralelas. Para prevenir que se
produzcan rotaciones de la plataforma 31 cuando el tercer brazo 15
está oscilando, la línea a través de estas uniones 29, 30C, 30 que
conectan el tercer conjunto de varillas articuladas 20, 21, 21C a
la plataforma 31 debería estar paralela a la línea a través de estas
uniones 28A, 28C, 28B que conectan el tercer conjunto de varillas
articuladas 20, 21, 21C al tercer brazo 15 y al mismo tiempo en
paralelo al eje de rotación del tercer brazo 15 y el tercer
actuador 12B. Al mismo tiempo, este diseño provocará que la
plataforma 31 haga girar el tercer actuador 12A sobre el cojinete
12A sobre la columna 3, de tal manera que el tercer brazo 15
oscilará siempre en un plano que está perpendicular al plano en el
que los dos primeros brazos 13, 14 están oscilando y, además, el
tercer brazo 15 estará colocado siempre a medio camino entre los dos
primeros brazos 13, 14, lo que proporciona al robot un rango de
trabajo máximo.
También es parte de la invención que el tercer
actuador 12C está montado sobre otro actuador 12D, que es capaz de
hacer girar el tercer actuador alrededor de un eje que está
esencialmente perpendicular al eje de rotación del segundo actuador
12D.
El concepto inventivo comprende también montar
al menos dos de las varillas articuladas 16, 17; 18, 19 a través de
dichas uniones comunes 22, 25 sobre carros 40, 41 y que provocan que
la plataforma manipulada 31 se mueva controlando las posiciones de
dichos carros con la ayuda de actuadores 10,11. Para evitar
rotaciones de la plataforma, los dos conjuntos de varillas
articuladas 16, 17; 18, 19 están montados sobre la plataforma 31 a
través de uniones 23, 24; 26, 27, de tal manera que una línea, una
línea de guía, a través de esas uniones 23, 24 que pertenecen a uno
16, 17 de los dos conjuntos de varillas articuladas se coloca en
paralelo o coincide con una línea, línea de guía, correspondiente,
a través de estas uniones 26, 27 que pertenecen al otro 18, 19 de
los dos conjuntos de varillas articuladas. Además, dichos dos carros
40, 41 están montados adecuadamente, de tal manera que son
movimientos son realizados en un plano perpendicular a las líneas de
guía mencionadas anteriormente en una posición en la que la
plataforma 31 está aproximadamente en el centro de su rango de
trabajo. Para obtener un rango de trabajo bien utilizado, el carro
debería moverse, además, a lo largo de trayectorias mutuamente
paralelas.
También forma parte del concepto de la invención
diseñar el tercer conjunto de varillas articuladas 20, 21 o bien en
forma de un paralelogramo con dos uniones en cada extremo de la
varilla articulada, o en forma de un paralelepípedo con dos uniones
en cada extremo de la varilla articulada o en forma de un triángulo
equilátero, o en forma de tres varillas articuladas, al menos dos de
las cuales pueden estar paralelas. Las varillas articuladas 20, 21
incluidas en el tercer conjunto de varillas articuladas están
montadas a través de uniones 29, 30 sobre la plataforma 31, de tal
manera que una línea a través de estas uniones se coloca
perpendicular a las líneas paralelas descritas anteriormente para
las uniones entre los dos primeros conjuntos de varillas articuladas
16, 17; 18, 19 y la plataforma 31. De esta manera, se evita la
rotación de la plataforma 31 cuando se manipula la plataforma.
De acuerdo con la invención, para obtener un
rango de trabajo mayor de la forma de realización de los carros 40,
41, 42 que muestran el robot, el tercer conjunto de varillas
articuladas 20, 21 se puede montar sobre una disposición de brazo de
palanca 15, 46, 44, 45 conectada al segundo y tercer carro 41, 42.
La tarea de la disposición de brazos de palanca 45, 44, 46, 15
consiste en impartir movimientos grandes al conjunto de varillas
articuladas 20, 21, es decir, mover la plataforma manipulada 31
sustancialmente perpendicular a la dirección del movimiento de los
carros 40, 42, 42. Además, para obtener un rango de trabajo máximo,
las trayectorias lineales 3A, 3B, sobre las que se mueven los
carros, están paralelas y montadas de tal manera que las
articulaciones 16, 17; 18, 19; 20; 21 se pueden mover entre las
trayectorias lineales.
El concepto inventivo comprende también montar
sobre la plataforma manipulada 31 una muñeca con uno, dos o tres
ejes. También forma parte del concepto inventivo utilizar el robot
como un robot subsidiario para realizar diferentes operaciones
dentro de un espacio más o menos cerrado 1. Como un robot
subsidiario, el robot puede ser utilizado también como una muñeca
para un robot mayor, en cuyo caso los movimientos del robot están
sincronizados con los movimientos del robot mayor.
Claims (5)
1. Un robot industrial para mover un objeto en
el espacio que comprende una plataforma estacionaria (3), una
plataforma móvil (31) adaptada para soportar el objeto, y un primero
(A), un segundo (B) y un tercer brazo (C) a los que están unidas las
plataformas, en el que el primer brazo comprende un primer actuador
(10), un primer brazo de soporte (13) influenciado por el primer
actuador y giratorio alrededor de un primer eje, y una primera
articulación (16, 17) montada sobre el primer brazo de soporte (13),
el segundo brazo comprende un segundo actuador (11), un segundo
brazo de soporte (14) influenciado por el segundo actuador y
giratorio alrededor del primer eje, y una segunda articulación (18,
19) montada sobre el segundo brazo de soporte (14), y el tercer
brazo comprende un tercer actuador (12), un tercer brazo de soporte
(15) influenciado por el tercer actuador y giratorio alrededor de un
segundo eje, y una tercera articulación (20) montada sobre el tercer
brazo de soporte (15), caracterizado porque los enlaces en
cada uno de la primera (16, 17) y segunda articulación (18, 19)
comprende un triángulo donde la base está montada sobre la
plataforma móvil (31).
2. Un robot industrial de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que los enlaces en la tercera articulación
(20) comprenden un triángulo con la base montada sobre el tercer
brazo de soporte (15).
3. Un robot industrial de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que los enlaces en la tercera articulación
(20) comprenden un triángulo con la base montada sobre la plataforma
móvil (31).
4. Un robot industrial de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que la segunda articulación (18, 19)
comprende un tercer enlace (21) montado sobre la plataforma móvil
(31).
5. Un robot industrial de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que la tercera articulación comprende un
enlace doble bloqueado (20, 21, 21C).
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