PT1870214E

PT1870214E - Robô paralelo de alta velocidade com quatro graus de liberdade

Info

Publication number: PT1870214E
Application number: PT06708871T
Authority: PT
Inventors: Vincent Nabat; Francois Pierrot; Maria De La Orodriguez Mijangos; Jose Miguel Azcoitia Arteche; Ricardo Bueno Zabalo; Karmele Florentino Perez De Armentia; Olivier Company
Original assignee: Fundacion Tecnalia Res & Innovation
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2006-02-08
Publication date: 2011-01-18
Also published as: ES2258917B1; EP1870214B1; TNSN07315A1; KR20070108522A; DK1870214T3; CA2598420C; SI1870214T1; RU2007134395A; MA29252B1; CA2598420A1; ATE484365T1; ES2258917A1; KR20090097196A; ES2354566T3; US7735390B2; DE602006017528D1; EP1870214A1; NZ565070A; BRPI0607143A2; JP5160902B2

Description

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DESCRIÇÃO "ROBO PARALELO DE ALTA VELOCIDADE COM QUATRO GRAUS DE LIBERDADE"

Descrição

OBJECTIVO DA INVENÇÃO O objectivo do robô da invenção é fazer deslocar uma plataforma que transporta a ferramenta correspondente, com quatro graus de liberdade (três translações e uma rotação em redor de um eixo vertical), com acelerações e velocidades muito elevadas em qualquer direcção.

Outro objectivo da invenção é o de que os actuadores do robô estão dispostos simetricamente, proporcionando um desempenho de elevada rigidez e homogéneo em todo o volume de trabalho.

Este robô é especialmente indicado para tarefas de apanhar e colocar.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Os robôs paralelos são habitualmente preparados num suporte fixo ou placa de base na qual existem actuadores montados que, através de braços articulados, ou cadeias cinemáticas, são ligados a uma plataforma fixa na qual se encontra fixada a ferramenta correspondente.

Um robô deste tipo com três graus de liberdade é descrito, por exemplo, na patente US 4976582, enquanto a patente ep 1084802 descreve um robô paralelo com quatro graus de liberdade (três translações e uma rotação).

Os robôs paralelos com quatro graus de liberdade são muito adequados para tarefas de manuseamento, -2- empacotamento e montagem de peças, e têm vantagens sobre robôs paralelos mais complexos, por exemplo com seis graus de liberdade, no que diz respeito à simplicidade, preço e velocidade de movimento. 0 objectivo da patente Europeia 1084802 é um robô paralelo no qual todas as juntas da plataforma móvel são ligações do tipo articulação, sendo um factor favorável para atingir velocidades e acelerações elevadas. Este robô compreende quatro cadeias cinemáticas accionadas através de quatro actuadores que se encontram fixos numa das suas extremidades e com uma orientação especifica para a placa de base, e na sua outra extremidade para a cadeia cinemática. Por seu lado, as cadeias cinemáticas são unidas à plataforma móvel que transporta a ferramenta, sendo que a plataforma móvel é constituída por duas peças ou barras que se encontram unidas nas suas extremidades às cadeias cinemáticas e uma terceira barra que se encontra montada entre as primeiras duas, através de duas ligações articuladas, em que esta barra é aquela que transporta a ferramenta. A plataforma móvel permite uma rotação de ± 45° que pode ser amplificada através da utilização de anéis de transmissão. A concepção específica da plataforma móvel e a utilização de ligações articuladas conduzem à obtenção de uma configuração isostática e forçam uma disposição não homogénea das cadeias cinemáticas, e, desse modo, dos actuadores. Esta disposição em especial dos actuadores, em combinação com a configuração isostática, evita que o robô tenha um desempenho de uma elevada rigidez e homogéneo em todo o volume de trabalho, sendo uma desvantagem importante.

Uma configuração modificada do robô descrito na patente EP 1084802 é descrita, por exemplo, na seguinte publicação: "14: A new parallel mechanism for SCARA -3- motions", procedente da Conferência Internacional sobre Robótica e Automatização IEEE ICRA, Taipé, Taiwan, 14-19 Setembro 2003. A configuração descrita no artigo procura compensar a principal limitação da patente EP 1084802.

Outra configuração encontra-se descrita no seguinte artigo: "A High-Speed Parallel Robot for Seara Motions", procedente da Conferência Internacional sobre Robótica e Automatização IEEE 2004, Nova Orleães, LA, EUA, 26 de Abril a 1 de Maio de 2004.

Este robô é formado por quatro cadeias cinemáticas, unidas à plataforma móvel, accionadas por quatro actuadores rotativos, unidas à base fixa. As principais diferenças comparadas à configuração anteriormente descrita são o uso de actuadores rotativos e a concepção da plataforma móvel. Especificamente, a plataforma móvel é formada por duas partes unidas através de um guia prismático e um cabo e sistema de roldanas que transforma o movimento de translação linear do guia na rotação desejada. Esta concepção de plataforma móvel permite que os actuadores se encontrem dispostos em 90°, um em relação ao outro, envolvendo uma concepção simétrica e um desempenho homogéneo em todo o volume de trabalho. O principal inconveniente das duas últimas configurações descritas é a limitação em atingir velocidades e acelerações elevadas, o principal requisito para aplicações de apanhar e colocar. Esta limitação é devida ao uso de guias prismáticos e, mais especificamente, à recirculação das esferas dos guias por contacto. A patente WO-A-03/106115 diz respeito a um robô industrial e a um método para manipulação num robô industrial composto por um manipulador cinemático paralelo. -4-

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO O robô objecto da invenção possui as vantagens dos robôs referidos com quatro graus de liberdade, eliminando os seus inconvenientes.

Especificamente, as principais vantagens do robô da invenção são a elevada rigidez, elevada precisão, desempenho homogéneo em todo o volume de trabalho, bom desempenho dinâmico e velocidades e acelerações muito elevadas em qualquer direcção.

Estas propriedades são obtidas em resultado da disposição simétrica dos seus actuadores, da utilização das juntas articuladas na plataforma móvel e uma nova concepção de plataforma móvel.

Especificamente, a plataforma móvel do robô da invenção é constituída por quatro partes unidas por juntas articuladas, cada uma das ditas partes paralela à outra das ditas partes que constituem uma plataforma móvel articulada designada paralelogramo planar com um grau de liberdade no dito plano. A ferramenta de trabalho pode ser integrante com qualquer uma das quatro partes que constituem a plataforma móvel.

As cadeias cinemáticas são formadas por um paralelogramo espacial constituído por quatro barras, paralelas em pares, unidas através de rótulas.

Estas cadeias cinemáticas são unidas numa das suas extremidades a uma das ligações articuladas da plataforma móvel e na sua outra extremidade, através de uma junta rotativa ou de translação, aos respectivos actuadores montados na placa de base localizada na parte superior do robô, com a particularidade que os actuadores se encontram simetricamente posicionados no plano da placa de base com qualquer orientação. -5-

Os actuadores estão simetricamente colocados numa estrutura fixa, de tal modo que esta disposição simétrica dos actuadores e, em especial, o uso de um paralelogramo planar na plataforma móvel permite a obtenção de um excelente desempenho dinâmico, um desempenho de elevada rigidez e homogéneo em todo o volume de trabalho.

Ao controlar os actuadores, a plataforma móvel muda de posição com quatro graus de liberdade, três translações e uma rotação em relação ao eixo vertical. 0 grau de liberdade associado ao paralelogramo planar é uma rotação em relação ao eixo vertical proporcionando à ferramenta de trabalho uma rotação entre -45° e +45°.

Um mecanismo mecânico adicional através de correia de transmissão, roldanas ou engrenagens pode ser incluído para aumentar o alcance de rotação da ferramenta de trabalho. Neste caso, a ferramenta de trabalho pode estar incluída em quaisquer partes mecânicas adicionais necessárias.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Para complementar a descrição dada e com o objectivo de ajudar a compreender melhor as características da invenção, encontra-se em anexo um conjunto de desenhos como parte integrante da dita descrição que demonstra o que se segue com um carácter ilustrativo e não limitativo: A Figura 1 apresenta uma vista de perspectiva do robô objecto da invenção; A Figura 2 apresenta uma planta de um detalhe da plataforma móvel, e das suas juntas, em relação às cadeias cinemáticas do robô. A Figura 3 apresenta uma planta do robô objecto da invenção. -6- A Figura 4 apresenta uma planta da plataforma móvel e de um modelo preferido em termos de posicionamento dos actuadores. A Figura 5 apresenta uma vista de perspectiva da plataforma móvel, incluindo um mecanismo de amplificação constituído de duas roldanas e uma correia de transmissão. A Figura 6 apresenta uma vista de perspectiva de uma plataforma móvel que não é um paralelogramo e que não se encontra no âmbito das reivindicações, incluindo o mecanismo de amplificação constituído por um sector denteado e uma roda dentada. A Figura 7 apresenta uma vista de perspectiva da plataforma móvel, incluindo um elemento intermédio e um mecanismo de amplificação constituído por duas roldanas e uma correia de transmissão. A Figura 8 apresenta uma vista de perspectiva da plataforma móvel, incluindo um elemento intermédio e um mecanismo de amplificação constituído por um sector denteado e uma roda dentada. A Figura 9 apresenta uma vista de perspectiva da plataforma móvel, incluindo dois elementos intermédios e um mecanismo de amplificação constituídos por uma caixa de velocidades.

MODELO PREFERIDO DA INVENÇÃO 0 robô objecto da invenção, tal como pode ser observado na Figura 1, compreende duas cadeias cinemáticas (1), unidas numa das suas extremidades através de articulações rotativas (2), a actuadores fixos à placa de base (3), e à sua outra extremidade a uma plataforma móvel (4) à qual a ferramenta de trabalho (5) se encontra montada.

Cada uma das cadeias cinemáticas é constituída por quatro barras (6), (6'), (7), (7'), paralelas em pares, e -7- unidas através de rótulas (8) . Num modelo alternativo, as cadeias cinemáticas são formadas por uma simples barra com duas juntas de cardan ou universais nas suas extremidades.

Cada um dos quatro actuadores é constituído por um suporte de fixação (9) para a sua fixação à placa de base (3), um motor rotativo (10) unido ao suporte (9), e um braço integrante com o veio do motor originando a rotação da articulação rotativa (2) . Num modelo alternativo, são utilizados quatro motores lineares colocados no mesmo plano e alinhados na mesma direcção. A plataforma móvel (4) é constituída por quatro elementos (11), (11'), (12), (12'), unidos por ligações articuladas (13) , sendo que cada um dos ditos elementos forma a plataforma móvel (4) paralelo a outro dos ditos elementos, para formar uma plataforma móvel articulada com um grau de liberdade no plano da plataforma móvel e, mais especif icamente, uma rotação em relação a um eixo perpendicular ao plano da referida plataforma móvel (4) . Esta rotação proporciona uma rotação da ferramenta de trabalho entre -45° e +45°, podendo aumentar por meio de mecanismos de amplificação adicionais, em seguida descrito. A ferramenta (5) encontra-se integrante com quaisquer dos elementos (11), (11'), (12), (12')· Num modelo ilustrado nas figuras anexas, dois dos elementos, (11) e (11'), são formados por braços dotados, nas suas extremidades, de extensões transversais (14) dotadas de um orifício interno no qual as barras (7') das cadeias cinemáticas (1) se encontram alojadas e podem girar, enquanto que os braços (12) e (12') são formados por barras unidas de modo articulado nas extensões transversais (14) das barras (11) e (11')·

Tal como pode ser observado na Figura 3, as barras (7') das cadeias cinemáticas (1) possuem a mesma configuração espacial que os eixos de saída dos motores (10) dos actuadores, sendo que os actuadores estão -8- simetricamente posicionados na placa de base (3), permitindo a obtenção de elevada rigidez, precisão de elevado posicionamento e um desempenho homogéneo em todo o volume de trabalho. A melhor disposição dos actuadores, e por consequência das barras (7') das cadeias cinemáticas e das extensões (14) da plataforma móvel (4), é de 45°, 135°, 225° e 315°, tal como pode ser observado na Figura 4, apesar de existirem possibilidades infinitas para a disposição dos actuadores. A plataforma móvel pode incluir um mecanismo de amplificação para a amplificação da rotação da ferramenta para aumentar o seu alcance de rotação. A montagem destes mecanismos na plataforma móvel pode muitas vezes precisar de peças adicionais.

Diferentes modelos dos mecanismos de amplificação, para a amplificação da rotação, são em baixo descritos tal como ilustrado nas figuras 5 a 9.

Num primeiro modelo ilustrado na Figura 5, a plataforma móvel (4) é constituída por quatro elementos (11), (11'), (12), (12'), unidos através de ligações articuladas (13) . Cada um dos ditos elementos encontra-se paralelo a outro dos ditos elementos de modo que os elementos formam um paralelogramo planar. 0 mecanismo de amplificação é constituído por duas roldanas (15,16), uma delas (15) montada no elemento (11'), e a outra (16) montada no elemento (11) e uma correia de transmissão (17) colocada entre ambas as roldanas (15) (16). Neste modelo, a ferramenta de trabalho é unida ao eixo da roldana (16).

Num segundo modelo ilustrado na Figura 6, que não se encontra no âmbito das reivindicações, o elemento (11) possui um sector de anel de transmissão (18) e o elemento (11' ) possui uma roda dentada (19) que engrenam com o sector de anel de transmissão (18) . Neste caso, a -9- ferramenta de trabalho (5) é unida ao anel de transmissão e possui também quatro graus de liberdade.

As Figuras 7 e 8 ilustram modelos alternativos nos quais a plataforma móvel (4) incorpora um elemento ou braço adicional (20).

Num modelo de acordo com a Figura 7, a plataforma móvel (4) é formada por cinco elementos (11), (11'), (12), (12') e (20), unidos através de ligações articuladas. Quatro elementos (11) e (11'), (12) e (12') encontram-se paralelos em pares e estão unidos através das suas extremidades. O quinto elemento (20) encontra-se paralelo a um dos pares de elementos (12), (12') e as suas extremidades são unidas aos outros dois elementos (11) e (11') . A amplificação da rotação do elemento de trabalho é obtida através de duas roldanas (21), (22), uma delas montada num dos elementos (11), (11') e a outra no elemento adicional (20), e a correia de transmissão (23) correspondente. A ferramenta de trabalho (5) é montada na roldana (22) .

Na Figura 8, a plataforma móvel (4) é constituída pelos mesmos cinco elementos (11), (11'), (12), (12') e (20) do modelo ilustrado na Figura 7, sendo que a amplificação da rotação do elemento de trabalho é obtida através de um sector de anel de transmissão (24) existente num dos elementos (11), (11') e uma roda dentada (25) montada no elemento adicional (20), em que a ferramenta de trabalho (5) é montada no anel de transmissão (25).

Na Figura 9, a plataforma móvel (4) é formada por seis peças (11), (11'), (12), (12') e (26) unidas através de ligações articuladas. A plataforma móvel (4) é constituída pelos mesmos elementos que os ilustrados na Figura (7) e (8), mas compreende um sexto elemento (26) que se encontra paralelo ao par de elementos (11), (11'), de tal modo que as seis peças encontram-se paralelas em três. -10-

Os dois elementos adicionais (20) e (26) são unidos num ponto a meio (27) no qual a ferramenta de trabalho (5) está colocada. A amplificação da rotação é obtida com o uso de uma caixa de velocidades (28) e colocando-a na intersecção das duas peças adicionais (20) e (26). -11 -

REFERÊNCIAS CITADAS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de referências citadas pelo requerente é apenas para a conveniência do leitor. A mesma não faz parte do documento de Patente Europeia. Embora muito cuidado tenha sido tomado na compilação das referências, erros e omissões não podem ser excluídos e o EPO nega qualquer responsabilidade neste sentido.

Documentos de Patente citados na descrição • US 4976582 A [0005] • EP 1084802 A [0005][0007][0010][0011] • WO 03106115 A [0015]

Literatura citada na descrição, para além das patentes de invenção • 14: A new parallel mechanism for SCARA motions. Proc. of IEEE ICRA: Int. Conf. on Robotics and Automation, 14 September 2003 [0010] • 14: A High-Speed Parallel Robot for Seara Motions. Proceeding of the 2004 IEEE International Conference on Robotics & Automation, 26 April 2004 [0012]

Claims

-1 - REIVINDICAÇÕES 1. Um robô paralelo de alta velocidade com quatro graus de liberdade, compreendendo: uma placa de base (3); uma plataforma móvel (4) que transporta uma ferramenta (5); quatro actuadores, sendo que cada um dos ditos actuadores faz parte da dita placa de base (3); quatro cadeias cinemáticas (1), sendo que cada uma das ditas cadeias cinemáticas (1) é articulada numa das suas extremidades à dita plataforma móvel (4) e na sua outra extremidade, através de uma articulação rotativa (2), a um dos actuadores respectivos, caracterizado por (i) a plataforma móvel (4) compreender quatro elementos (11,11',12,12'), unidos através de ligações articuladas (13), e por (ii) os elementos (11,11',12,12' ) estarem unidos através das suas extremidades, sendo que cada um dos ditos elementos está paralelo a outro dos ditos elementos de modo que os ditos elementos formam um paralelogramo planar, em que os ditos elementos formam uma plataforma móvel articulada com um grau de liberdade no plano da plataforma móvel; e -2- por (iii) os actuadores estarem simetricamente posicionados no plano da placa de base (3).
2. Um robô paralelo de alta velocidade com quatro graus de liberdade de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o grau de liberdade da plataforma móvel compreender uma rotação em relação ao eixo vertical, com um alcance de -45° a +45°.
3. Um robô paralelo de alta velocidade com quatro graus de liberdade de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os actuadores estarem posicionados na placa de base (3) a 45°, 135°, 225° e 315°.
4. Um robô paralelo de alta velocidade com quatro graus de liberdade de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os actuadores incluírem motores lineares dispostos no mesmo plano e alinhados na mesma direcção.
5. Um robô paralelo de alta velocidade com quatro graus de liberdade de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por cada uma das cadeias cinemáticas (1) ser constituída por quatro barras (6,6',1,1'), paralelas em pares, unidas através de rótulas, estando unidas à plataforma móvel (4) e aos actuadores, de tal modo que a barra de união (!') para a união à plataforma móvel (4) possui a mesma orientação que o actuador correspondente.
6. Um robô paralelo de alta velocidade com quatro graus de liberdade de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por algumas ou todas as suas cadeias cinemáticas (1) serem formadas por uma única barra com duas -3- juntas de cardan ou universais nas suas extremidades, estando unidas à plataforma móvel (4) e aos actuadores.
7. Um robô paralelo de alta velocidade com quatro graus de liberdade de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a plataforma móvel (4) incluir um mecanismo de amplificação para a amplificação da rotação da ferramenta de trabalho (5) .
8. Um robô paralelo de alta velocidade com quatro graus de liberdade de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por o mecanismo de amplificação ser constituído por duas roldanas (15,16), sendo que uma primeira das ditas roldanas (15) é montada num dos quatro elementos da plataforma móvel (4), e uma segunda das ditas roldanas (16) é unida a outro dos elementos da plataforma móvel, e uma correia de transmissão (17) colocada entre as ditas roldanas (15,16), sendo que a ferramenta de trabalho (5) é montada no eixo da segunda das ditas roldanas (16).
9. Um robô paralelo de alta velocidade com quatro graus de liberdade de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a plataforma móvel compreender adicionalmente um elemento intermédio (20) colocado entre dois dos elementos da plataforma móvel (4), através de ligações articuladas, sendo que a ferramenta de trabalho (5) é montada no elemento intermédio (20).
10. Um robô paralelo de alta velocidade com quatro graus de liberdade de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por os elementos que constituem a plataforma móvel (4) estarem paralelos em pares, e o elemento intermédio (20) estar montado paralelo a um dos pares de braços (12,12') que constituem a plataforma móvel, e está -4- unido aos outros dois elementos (11,11') na sua parte central.
11. Um robô paralelo de alta velocidade com quatro graus de liberdade de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por incluir um mecanismo de amplificação para a amplificação da rotação da ferramenta de trabalho.
12. Um robô paralelo de alta velocidade com quatro graus de liberdade de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por o mecanismo de amplificação ser constituído por duas roldanas (21,22), sendo que uma primeira das ditas roldanas (21) está montada num dos quatro elementos da plataforma móvel (4) e uma segunda das ditas roldanas (22) está unida ao elemento intermédio (20), e uma correia de transmissão (23) disposta entre as ditas roldanas (21,22), em que a ferramenta de trabalho (5) está montada no eixo da segunda das ditas roldanas (22).
13. Um robô paralelo de alta velocidade com quatro graus de liberdade de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por o mecanismo de amplificação ser constituído por um sector denteado (24) existente num dos elementos da plataforma móvel (4) e uma roda dentada (25) existente no elemento intermédio (20), sendo que a ferramenta de trabalho está unida à roda dentada (25).
14. Um robô paralelo de alta velocidade com quatro graus de liberdade de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a plataforma móvel (4) compreender adicionalmente dois elementos intermédios (20,26) unidos à plataforma móvel (4) através de ligações articuladas.
15. Um robô paralelo de alta velocidade com quatro graus de liberdade de acordo com a reivindicação 14, -5- caracterizado por os elementos que constituem a plataforma móvel (4) estão dispostos paralelamente em três, com um dos elementos intermédios (20) montado em paralelo a um dos pares de braços (12,12') que constituem a plataforma móvel (4) e unidos aos outros dois elementos (11,11') na sua parte central, enquanto que o segundo elemento intermédio (26) é montado em paralelo ao segundo par de braços (11,11') da plataforma móvel (4) estando unido aos outros dois elementos (12,12') na sua parte central, sendo que os dois elementos intermédios (20,26) estão unidos num ponto (27) onde a ferramenta de trabalho (5) está colocada.
16. Um robô paralelo de alta velocidade com quatro graus de liberdade de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por a plataforma móvel incluir um elemento de amplificação para a amplificação da rotação da ferramenta.
17. Um robô paralelo de alta velocidade com quatro graus de liberdade de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por o elemento de amplificação compreender uma caixa de velocidades (28), montada no ponto de união (27) dos elementos intermédios (20,26).

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FIG.2

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