ES2833417T3 - Dispositivo para el movimiento y el posicionamiento de un objeto en el espacio - Google Patents

Abstract

Un dispositivo para el movimiento y el posicionamiento de un objeto en el espacio que comprende un elemento de base (12), un elemento móvil (30), tres brazos compuestos articulados (17, 117; 18, 118; 22, 122) ensamblados por medio de juntas (28), brazos que conectan dicho elemento de base (12) y dicho elemento móvil (30) por medio de juntas adicionales, tres actuadores rotatorios (13, 14, 19) cada uno de los cuales está conectado operativamente para activar uno de dichos tres brazos (17, 117; 18, 118; 22, 122), estando dispuestos dichos brazos de modo que dos primeros brazos (17, 117; 18, 118) oscilan en un plano ortogonal a un plano en el que oscila el tercer brazo (22, 122), estando dicho tercer brazo y su actuador (19) asociado soportados de manera rotatoria con respecto a dicho elemento de base (12) mediante un soporte (26), comprendiendo además el dispositivo un diferencial (23) dotado de dos elementos de entrada (15, 16) y un elemento de salida (24) y dispuesto para funcionar entre dichos tres actuadores (13, 14, 19), en el que cada elemento de entrada está conectado a un actuador respectivo de dichos dos primeros brazos y el elemento de salida está conectado a dicho soporte (26) por medio de un elemento de transmisión (25).

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo para el movimiento y el posicionamiento de un objeto en el espacio

La presente invención se refiere a un dispositivo para el movimiento y el posicionamiento de un objeto en el espacio con una ocupación de espacio mínima y un volumen de trabajo alto.

Se conocen actualmente diversas soluciones de dispositivos en en el campo de la manipulación de objetos en un espacio tridimensional, para mover y posicionar dicho objetos.

Estos dispositivos deben asociarse frecuentemente con otros dispositivos que forman una línea de producción que requiere una posibilidad de maniobra amplia.

Uno de estos dispositivos se da a conocer, por ejemplo, mediante la patente US 4.976.582.

El dispositivo de la patente tiene, entre sus características, una estructura paralela que permite errores de posicionamiento reducidos gracias a la presencia de cadenas cinemáticas cerradas.

En dicho dispositivo, los motores de los diversos brazos están montados en un armazón, y si, por una parte, las inercias implicadas son extremadamente bajas, las velocidades y aceleraciones que pueden alcanzarse con el mismo pueden ser, por otra parte, extremadamente altas.

En este dispositivo, se prevén tres brazos, posicionados a 120 grados unos con respecto a otros, que garantizan un volumen de trabajo con rendimientos cinemáticos y dinámicos extremadamente altos y un comportamiento global bien equilibrado tanto de los diversos brazos como de las partes mecánicas que los forman.

Al examinar la estructura del dispositivo, puede observarse que la estructura mecánica no es particularmente compleja. También puede verse que las barras presentes en el antebrazo funcionan como tirantes/varillas de unión y, por consiguiente, si tienen masas reducidas, se someten principalmente a cargas axiales. De esta manera, modificando la longitud de las barras, se modifican el espacio de trabajo y la ocupación de espacio sin ninguna complejidad particular.

Con respecto a este dispositivo para el movimiento y el posicionamiento de un objeto en el espacio, también puede observarse que tiene un espacio de trabajo reducido con respecto a unas dimensiones globales grandes, teniendo en cuenta también que no puede usarse la zona en el interior del dispositivo.

Además, puede observarse que el diseño mecánico de un dispositivo de este tipo implica una atención particular con respecto a las juntas pasivas. De hecho, para su implementación se usan no sólo parejas elementales, sino también pares esféricos, y esto conlleva la gestión de las rotaciones de los mismos y fricción.

También se conocen otros tipos de dispositivos de manipulación, tales como los de la patente US 7.331.750 que, aunque tienen un espacio de trabajo más amplio con respecto a la ocupación de espacio en comparación con el dispositivo conocido indicado anteriormente, también tienen problemas generales.

En estos dispositivos, por ejemplo, la translación lateral está siempre emparejada con la rotación.

Además, se generan momentos de flexión y de torsión en el brazo superior de dicho dispositivo de manipulación, que hacen su diseño más complejo, y el flujo de energía pasa a través del efector final y después vuelve, a través del brazo superior, al soporte del motor del mismo.

El dispositivo tiene una reconfigurabilidad limitada, ya que no es suficiente modificar la longitud de las barras para modificar el espacio de trabajo. De hecho, la estructura del brazo superior debe rediseñarse como paralelogramos. Por tanto, existe la necesidad de un dispositivo que tenga una arquitectura paralela, que sea principalmente fácil de gestionar, también cuando se incorpore para colaborar e interaccionar con otros dispositivos de alta velocidad, y pueda tener un espacio de trabajo amplio con respecto a las dimensiones globales, incluso teniendo una estructura esencialmente sencilla.

El documento EP 1365893 da a conocer un dispositivo para el movimiento y el posicionamiento de un objeto en el espacio, que comprende un elemento de base, un elemento móvil, tres brazos compuestos articulados ensamblados por medio de juntas, brazos que conectan dicho elemento de base y dicho elemento móvil por medio de juntas adicionales, tres actuadores rotatorios cada uno de los cuales está conectado operativamente para activar uno de dichos tres brazos, estando dispuestos dichos tres brazos de modo que dos primeros brazos oscilan en un plano ortogonal a un plano en el que oscila el tercer brazo, estando el tercer brazo y su actuador asociado soportados de manera rotatoria con respecto a dicho elemento de base mediante un soporte. Además, el dispositivo conocido comprende un mecanismo de varilla articulada de diferencial que garantiza que el tercer brazo siempre se sitúe a medio camino entre los dos primeros brazos o al menos en una posición con una razón angular constante entre los dos primeros brazos.

En vista de estos ejemplos de soluciones conocidas, un objetivo general de la presente invención es desarrollar un dispositivo que tenga al menos dos grados de libertad para el movimiento y el posicionamiento de un objeto en el espacio que tenga una estructura extremadamente simple y funcional, teniendo incluso un espacio de trabajo extremadamente amplio.

Un objetivo adicional de la presente invención es encontrar un dispositivo para el movimiento y el posicionamiento de un objeto en el espacio que tenga una ocupación de espacio limitada, también con referencia particular al volumen del grupo de motores, en comparación con el espacio de trabajo.

Otro objetivo de la presente invención es encontrar un dispositivo para el movimiento y el posicionamiento de un objeto en el espacio que pueda realizar tareas de movimiento de manipulación con rendimientos dinámicos altos con el fin de adaptarse por sí mismo a requisitos de producción cada vez más exigentes.

Aún otro objetivo de la presente invención es encontrar un dispositivo para el movimiento y el posicionamiento de un objeto en el espacio que pueda ofrecer un alto grado de reconfigurabilidad, adaptándose por sí mismo al volumen de trabajo, al tipo de movimiento y al número de grados de libertad requeridos para cada tarea de manipulación/movimiento específica en una línea de producción, y que pueda garantizar siempre un equilibrado óptimo de las cargas sobre la estructura.

Un objetivo adicional de la presente invención es encontrar un dispositivo para el movimiento y el posicionamiento de un objeto en el espacio que pueda resolver los inconvenientes de la técnica conocida descrita anteriormente de manera extremadamente simple, económica y particularmente funcional.

En vista de los objetivos anteriores, según la presente invención, se ha concebido un dispositivo para el movimiento y el posicionamiento de un objeto en el espacio que tiene las características especificadas en las reivindicaciones adjuntas.

Las características estructurales y funcionales de la presente invención y sus ventajas con respecto a la técnica conocida resultarán incluso más evidentes a partir de la siguiente descripción, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, que, entre otros, muestran una realización ilustrativa y no limitativa de un dispositivo para el movimiento y el posicionamiento de un objeto en el espacio producido según la misma invención.

En los dibujos:

- la figura 1 es una vista en perspectiva esquemática de un dispositivo según la invención según un primer punto de observación en el espacio;

- las figuras 2 y 3 muestran vistas en perspectiva del dispositivo de la figura 1 según dos puntos de observación diferentes en el espacio para potenciar la comprensión de su configuración;

- la figura 4 es una vista en perspectiva que se deriva de la figura 1 del dispositivo sin sus brazos con el fin de permitir una mayor claridad con respecto a las posiciones y las relaciones entre los motores y el diferencial que lo forman;

- la figura 5 es un esquema de bloques que muestra las partes esenciales ilustradas en la figura 4.

Con referencia a las figuras, las mismas ilustran una realización de un dispositivo para el movimiento y el posicionamiento de un objeto en el espacio producido según la invención, también conocido de otro modo como “robot”.

Las figuras muestran esquemáticamente un dispositivo o robot 11 posicionado sobre un armazón 12, también definido como elemento de base, que está fijado en un punto de una línea de producción genérica para manipular objetos producidos en la misma (no mostrada).

Un par de actuadores, tales como los motores 13 y 14, están montados de manera rígida en el elemento de base 12, en el ejemplo esquematizado en forma de un montante. Los motores portan y mueven los brazos 17 y 18 respectivos instalados sobre árboles de salida 15 y 16 respectivos. Un tercer actuador o motor 19 está abisagrado al elemento de base 12 y puede rotar alrededor de un eje 20. El tercer motor 19 porta un tercer brazo 22 instalado en un árbol 21 respectivo.

Los árboles 15 y 16 de los dos primeros motores 13 y 14 están dispuestos en el mismo eje 20, que también es el eje de rotación del tercer motor 19.

Según la invención, los dos primeros motores 13 y 14, además de mover directamente los brazos 17 y 18 instalados en los árboles 15 y 16 respectivos, también mueven un diferencial 23.

En la configuración ilustrada, también puede observarse cómo el diferencial 23 tiene dos elementos de entrada y un elemento de salida. Se entiende que en otras realizaciones, no mostradas, puede haber al menos dos elementos de entrada y al menos un elemento de salida. En particular, la configuración del diferencial 23 es tal que la velocidad de un árbol de salida, representada en la realización ilustrada por una superficie exterior 24 del diferencial 23, siempre tiene un valor igual al valor promedio de la velocidad de los árboles de entrada 15 y 16. En este ejemplo, la razón de transmisión viene dada por la fórmula de Willis

( i = (COis “ 0)24) / (0)16 “ 0)24)

habiéndose readaptado dicha fórmula al caso en cuestión en el que los valores ^ú se refieren a las velocidades de entrada y salida) igual a -1.

De nuevo en el ejemplo ilustrado, la superficie exterior 24 del diferencial 23, a través de un sistema de transmisión, indicado en su conjunto con 25, con un eje 27 paralelo en este ejemplo al eje 20 indicado anteriormente, transfiere el movimiento con una razón de transmisión unitaria desde la salida del diferencial 23 hasta un soporte 26 del tercer motor 19, orientando el mismo alrededor del mismo eje 20.

De esta manera, la posición del árbol de salida del diferencial 23, es decir, en este caso la superficie exterior 24 del diferencial 23, es tal como para mantener un plano (dentro del o en el que se encuentra el tercer brazo 22) ortogonal al árbol 21 en la salida del tercer motor 19, orientado siempre según una bisectriz de los dos primeros brazos 17 y 18.

De esta manera, el dispositivo o robot 11 funciona siempre en su plano sagital.

Debe indicarse que, en la solución no limitativa ilustrada, el dispositivo o robot tiene una estructura isostática.

En particular, en una realización esquemática de este dispositivo, la arquitectura del brazo individual se parece a la del dispositivo ilustrado en la patente US 4.976.582.

De hecho, puede observarse que una junta rotoidal motorizada posicionada entre el motor individual 13 o 14 o 19 y el brazo individual 17 o 18 o 22 va seguida, a lo largo de la cadena en extremos de las extensiones de varilla 117 o 118 o 122 del brazo individual 17 o 18 o 22, por dos juntas universales 28 y dos juntas de rótula 29 (y estas cuatro juntas forman un cuadrángulo).

Las juntas de rótula 29, además, soportan un elemento móvil 30, tal como una placa, en el que hay un elemento de trabajo, esquematizado en 31, tal como un dispositivo para orientación con n grados de libertad (véase una muñeca robótica) o directamente un elemento de agarre.

Por tanto, según la presente invención, se inserta un diferencial 23, con dos elementos de entrada y un elemento de salida, en la arquitectura de un dispositivo o robot de trípode paralelo, para permitir un movimiento (cilíndrico) y un espacio de trabajo amplio. La disposición del diferencial permite la gestión de un flujo de energía que sigue la estructura cinemática desde el grupo de motores 13, 14 y 19 hasta el elemento móvil de la plataforma 30, por consiguiente sin volver atrás.

En la disposición ilustrada con propósitos ilustrativos, se plantea esquemáticamente un dispositivo o robot de trípode, con dos brazos 17 y 18 paralelos al suelo (y con el mismo eje de la junta accionada) y un tercer brazo 22 vertical.

En una realización, el diferencial puede ser básicamente un tren planetario con dos elementos de entrada y un elemento de salida. Los engranajes sol, las coronas o los portadores de engranajes pueden tomarse indistintamente como elementos de entrada o salida y el diferencial puede tener cualquier configuración. En cualquier caso, con el fin de garantizar rotaciones altas del dispositivo o robot, con el fin de evitar un impacto entre el tercer brazo superior 22 y los dos brazos inferiores 17 y 18, el elemento de salida debe rotar en un ángulo igual a la mitad del valor de los ángulos de entrada. Esto permite disponer el tercer brazo 22 en un plano sagital intermedio entre los otros dos brazos 17, 18, es decir, en una bisectriz.

Tal como ya se indicó, con el fin de garantizar que esta condición se mantenga también para rotaciones importantes alrededor del eje vertical, se recurre preferiblemente a un diferencial (tren planetario) con una razón de transmisión que tiene un valor lo más cercano posible a -1 (véase la fórmula de Willis).

En la solución preferida, aunque no limitativa, ilustrada, los dos motores 13 y 14 de los árboles 15 y 16 relacionados con los dos primeros brazos 17 y 18 están montados en el elemento de base 12 y alineados o conectados para alcanzar los elementos de entrada del diferencial. El soporte 26 del tercer motor 19 que porta el tercer brazo 22 respectivo está conectado al elemento de salida del diferencial 23, por ejemplo tal como se ilustró anteriormente. Por consiguiente, el motor 19 del tercer brazo 22 está fijado a la estructura de soporte 26 para rotar con el diferencial 23.

En la solución según la presente invención, en un esquema de bloques de la figura 5, se muestra una realización adicional en la que una conexión de acoplamiento 32 está interpuesta entre el diferencial 23 y el elemento de transmisión 25 al tercer motor 19 (aunque generalmente puede estar en cualquier punto entre los elementos de entrada del diferencial y el soporte 26), para permitir un funcionamiento diferenciado del dispositivo.

La presencia de dicha conexión de acoplamiento 32 permite el desacoplamiento del diferencial 23 en una determinada configuración del dispositivo o robot de la invención y la fijación simultánea del soporte 26 del tercer motor 19. Esto permite que el dispositivo o robot 11 cambie la cinemática y actúe como un trípode clásico fijado a un elemento de base, de manera análoga al dispositivo denominado Delta para traslación pura (cuya arquitectura se da a conocer en la patente US 4.976.582 mencionada anteriormente), con la consiguiente fijación de la orientación y una pérdida de rotación generada por el movimiento cilíndrico.

En esta disposición, a diferencia del dispositivo clásico denominado Delta, los ejes de los brazos 17 y 18 permanecen alineados. Con el fin de volver a la cinemática “cilíndrica” ilustrada anteriormente, antes de reactivar la conexión de acoplamiento 32, el brazo superior 22 debe volverse a medio camino entre los otros dos brazos 17 y 18. En la solución según la presente invención, en línea con lo que se indica en la descripción del dispositivo de acoplamiento, se presta la máxima atención a los conceptos de modularidad y reconfigurabilidad del “robot” para garantizar que el mismo pueda adaptarse por sí mismo a los requisitos de la línea de producción en la que se inserta. En particular, existe la posibilidad de proporcionar módulos/grupos funcionales que puedan combinarse en diferentes configuraciones con dos o tres grados de libertad.

Al retirar el brazo 22 con el motor 19 relativo y las extensiones 122 relativas, por ejemplo, y sustituir el diferencial 23 con un brazo pasivo unido de manera adecuada al elemento de base 12 y al elemento móvil 30, el “robot” puede configurarse para hacer que sólo esté disponible para movimientos con dos grados de libertad.

Con esta disposición según la invención, tal como se describió anteriormente, una estructura de trípode de un dispositivo o robot puede estar dotada de motores montados en el elemento de base (excepto para el motor del tercer brazo, que se hace rotar mediante el diferencial alrededor de su eje). Aunque los brazos no se encuentren a 120 grados, pueden garantizar un volumen de trabajo con rendimientos cinemáticos y dinámicos extremadamente altos y un comportamiento bien equilibrado de los diversos brazos además de las partes mecánicas que los forman. También debe señalarse que un acoplamiento activo implica siempre funcionar en un plano sagital. En este plano, el dispositivo o robot de la invención puede ofrecer los mejores rendimientos desde un punto de vista cinetostáticodinámico. Además, con un acoplamiento activo, el espacio de trabajo es extremadamente ancho ya que la zona de trabajo obtenida en el plano sagital (el plano vertical a medio camino entre los dos brazos exteriores) se proyecta mediante revolución alrededor de la columna central.

Según la invención, además, hay una ocupación de espacio mínima con respecto al espacio de trabajo. La huella del grupo de motores es pequeña en comparación con el espacio de trabajo (con motores particulares, véase los que tienen un árbol hueco, toda la unidad puede montarse en una columna central con un eje 20, garantizando rotaciones del robot mayores de 360 grados).

Tal como se indicó anteriormente, el flujo de energía pasa exclusivamente desde el elemento de base hacia el elemento móvil o la plataforma móvil y no vuelve.

El diseño mecánico está simplificado particularmente ya que el diseño de las barras 117, 118 y 122 en los antebrazos es simple puesto que se usan tirantes/varillas de unión (principalmente una carga axial en el caso de masas de las mismas extremadamente reducidas).

Un dispositivo según la presente invención puede tener numerosos usos tales como un dispositivo para operaciones de recogida y colocación, y un dispositivo de ensamblaje o procesamiento.

Puede insertarse dentro de una isla e interaccionar con diversas estaciones a velocidades extremadamente altas. También puede ofrecer un alto grado de modularidad y reconfigurabilidad, adaptándose por sí mismo al volumen de trabajo, al tipo de movimiento y al número de grados de libertad (dos o tres) requeridos para cada tarea de manipulación/movimiento específica.

También debe indicarse que el dispositivo según la presente invención es particularmente adecuado como dispositivo de posicionamiento. Sin embargo, debe señalarse que cuando se mueve un objeto tangencialmente, su orientación también varía. De hecho, mediante la rotación alrededor de su eje, el dispositivo rota y el objeto que está manipulándose rota con el mismo. En la realización ilustrada anteriormente, la orientación del dispositivo o robot se ve influenciada por su posicionamiento, sin embargo, en una posible implementación, puede añadirse una muñeca aguas abajo, en el elemento móvil o la plataforma, para permitir que la orientación sea independiente del posicionamiento.

Por tanto, se ha logrado el objetivo mencionado en el preámbulo de la descripción.

Las formas de la estructura para la producción de un dispositivo según la invención, así como también los materiales y modos de ensamblaje, pueden diferir naturalmente de los mostrados con propósitos puramente ilustrativos y no limitativos en los dibujos, sin apartarse del alcance de protección de la invención tal como se define por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (5)

REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo para el movimiento y el posicionamiento de un objeto en el espacio que comprende un elemento de base (12), un elemento móvil (30), tres brazos compuestos articulados (17, 117; 18, 118; 22, 122) ensamblados por medio de juntas (28), brazos que conectan dicho elemento de base (12) y dicho elemento móvil (30) por medio de juntas adicionales, tres actuadores rotatorios (13, 14, 19) cada uno de los cuales está conectado operativamente para activar uno de dichos tres brazos (17, 117; 18, 118; 22, 122), estando dispuestos dichos brazos de modo que dos primeros brazos (17, 117; 18, 118) oscilan en un plano ortogonal a un plano en el que oscila el tercer brazo (22, 122), estando dicho tercer brazo y su actuador (19) asociado soportados de manera rotatoria con respecto a dicho elemento de base (12) mediante un soporte (26), comprendiendo además el dispositivo un diferencial (23) dotado de dos elementos de entrada (15, 16) y un elemento de salida (24) y dispuesto para funcionar entre dichos tres actuadores (13, 14, 19), en el que cada elemento de entrada está conectado a un actuador respectivo de dichos dos primeros brazos y el elemento de salida está conectado a dicho soporte (26) por medio de un elemento de transmisión (25).

2. El dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque entre dos actuadores (13 y 14) y dicho tercer actuador (19) está interpuesto un elemento de acoplamiento/desacoplamiento (32), que bloquea el soporte (26) y libera el elemento de transmisión (25) y/o los elementos de entrada (15 y 16) y/o el elemento de salida (24) del diferencial (23), modificándose la arquitectura/cinemática del dispositivo y obteniéndose un movimiento de traslación pura para el elemento móvil (30).

3. El dispositivo según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque dichas juntas a través de las cuales se articulan dichos tres brazos compuestos (17, 117; 18, 118; 22, 122) son juntas universales/de rótula (28, 29).

4. El dispositivo según una o más de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dichas juntas posicionadas entre dicho elemento de base (12) y dicho elemento móvil (30) son juntas de pivote (15, 16, 21) y juntas de rótula/universales (28, 29) implementadas, respectivamente.

5. El dispositivo según una o más de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el elemento de salida del diferencial comprende una superficie exterior (24) del diferencial (23).