Manipulador paralelo - Parallel manipulator
Un manipulador paralelo es un sistema mecánico que utiliza varias cadenas seriales controladas por computadora para soportar una sola plataforma o efector final . Quizás, el manipulador paralelo más conocido está formado por seis actuadores lineales que soportan una base móvil para dispositivos como simuladores de vuelo. Este dispositivo se llama plataforma Stewart o plataforma Gough-Stewart en reconocimiento a los ingenieros que los diseñaron y usaron por primera vez.
También conocidos como robots paralelos , o plataformas Stewart generalizadas (en la plataforma Stewart , los actuadores están emparejados tanto en la base como en la plataforma), estos sistemas son robots articulados que utilizan mecanismos similares para el movimiento del robot en su base, o uno o más brazos manipuladores . Su distinción 'paralela', a diferencia de un manipulador en serie , es que el efector final (o 'mano') de este enlace (o 'brazo') está conectado directamente a su base por un número de (generalmente tres o seis) separados y vínculos independientes que funcionan simultáneamente. No se implica ningún paralelismo geométrico .
Caracteristicas de diseño
Un manipulador paralelo está diseñado para que cada cadena sea generalmente corta, simple y, por lo tanto, pueda ser rígida contra movimientos no deseados, en comparación con un manipulador en serie . Los errores en el posicionamiento de una cadena se promedian junto con los demás, en lugar de ser acumulativos. Cada actuador aún debe moverse dentro de su propio grado de libertad , como en un robot en serie; sin embargo, en el robot paralelo, la flexibilidad fuera del eje de una articulación también está limitada por el efecto de las otras cadenas. Es esta rigidez de circuito cerrado lo que hace que el manipulador paralelo general sea rígido en relación con sus componentes, a diferencia de la cadena en serie que se vuelve progresivamente menos rígida con más componentes.
Esta rigidez mutua también permite una construcción simple: las cadenas de hexápodos de plataforma Stewart utilizan actuadores lineales de junta prismática entre juntas de rótula universales de cualquier eje . Las rótulas son pasivas: simplemente se mueven libremente, sin actuadores ni frenos; su posición está limitada únicamente por las otras cadenas. Los robots Delta tienen actuadores giratorios montados en la base que mueven un brazo de paralelogramo ligero y rígido. El efector se monta entre las puntas de tres de estos brazos y, de nuevo, se puede montar con rótulas simples. La representación estática de un robot paralelo a menudo es similar a la de un truss articulado con pasadores : los eslabones y sus actuadores solo sienten tensión o compresión, sin flexión ni torsión, lo que nuevamente reduce los efectos de cualquier flexibilidad a las fuerzas fuera del eje.
Una ventaja adicional del manipulador paralelo es que los actuadores pesados pueden a menudo estar montados centralmente en una plataforma de base única, teniendo lugar el movimiento del brazo a través de puntales y juntas solamente. Esta reducción de masa a lo largo del brazo permite una construcción del brazo más ligera, por lo tanto, actuadores más ligeros y movimientos más rápidos. Esta centralización de masa también reduce el momento de inercia general del robot , lo que puede ser una ventaja para un robot móvil o ambulante .
Todas estas características dan como resultado manipuladores con una amplia gama de capacidad de movimiento. Como su velocidad de acción a menudo está limitada por su rigidez más que por su poder, pueden ser de acción rápida, en comparación con los manipuladores en serie.
Menor movilidad
Un manipulador puede mover un objeto con hasta 6 grados de libertad (DoF), determinado por 3 coordenadas de traslación 3T y 3 rotaciones 3R para una movilidad total 3T3R. Sin embargo, cuando una tarea de manipulación requiere menos de 6 DoF, el uso de manipuladores de menor movilidad, con menos de 6 DoF, puede traer ventajas en términos de arquitectura más simple, control más fácil, movimiento más rápido y menor costo. Por ejemplo, el robot Delta 3 DoF tiene menor movilidad 3T y ha demostrado ser muy exitoso para aplicaciones de posicionamiento traslacional rápido de pick-and-place. El espacio de trabajo de los manipuladores de menor movilidad puede descomponerse en subespacios de "movimiento" y "restricción". Por ejemplo, 3 coordenadas de posición constituyen el subespacio de movimiento del robot 3 DoF Delta y las 3 coordenadas de orientación están en el subespacio de restricción. El subespacio de movimiento de los manipuladores de menor movilidad puede descomponerse aún más en subespacios independientes (deseados) y dependientes: que consisten en un movimiento "concomitante" o "parásito" que es un movimiento no deseado del manipulador. Los efectos debilitantes del movimiento parasitario deben mitigarse o eliminarse en el diseño exitoso de manipuladores de baja movilidad. Por ejemplo, el robot Delta no tiene movimiento parásito ya que su efector final no gira.
Comparación con manipuladores en serie
La mayoría de las aplicaciones de robots requieren rigidez. Los robots en serie pueden lograr esto mediante el uso de juntas rotativas de alta calidad que permiten el movimiento en un eje pero son rígidas contra el movimiento fuera de este. Cualquier articulación que permita el movimiento también debe tener este movimiento bajo el control deliberado de un actuador. Por tanto, un movimiento que requiera varios ejes requiere varias de tales articulaciones. La flexibilidad o el descuido no deseado en una articulación provoca un descuido similar en el brazo, que puede verse amplificado por la distancia entre la articulación y el efecto final: no hay oportunidad de apoyar el movimiento de una articulación contra la otra. Su inevitable histéresis y flexibilidad fuera del eje se acumula a lo largo de la cadena cinemática del brazo ; un manipulador en serie de precisión es un compromiso entre precisión, complejidad, masa (del manipulador y de los objetos manipulados) y coste. Por otro lado, con manipuladores paralelos, se puede obtener una alta rigidez con una pequeña masa del manipulador (con respecto a la carga que se está manipulando). Esto permite una alta precisión y alta velocidad de movimientos, y motiva el uso de manipuladores paralelos en simuladores de vuelo (alta velocidad con masas bastante grandes) y lentes electrostáticas o magnéticas en aceleradores de partículas (muy alta precisión en el posicionamiento de grandes masas).
Un inconveniente de los manipuladores paralelos, en comparación con los manipuladores en serie, es su espacio de trabajo limitado. En cuanto a los manipuladores en serie, el espacio de trabajo está limitado por los límites geométricos y mecánicos del diseño (colisiones entre las piernas máximas y longitudes mínimas de las piernas). El espacio de trabajo también está limitado por la existencia de singularidades , que son posiciones donde, para algunas trayectorias del movimiento, la variación de las longitudes de las piernas es infinitamente menor que la variación de la posición. A la inversa, en una posición singular, una fuerza (como la gravedad) aplicada sobre el efector final induce restricciones infinitamente grandes en las piernas, lo que puede resultar en una especie de "explosión" del manipulador. La determinación de las posiciones singulares es difícil (para un manipulador paralelo general, este es un problema abierto). Esto implica que los espacios de trabajo de los manipuladores paralelos están, por lo general, limitados artificialmente a una pequeña región donde se sabe que no hay singularidad.
Otro inconveniente de los manipuladores paralelos es su comportamiento no lineal : el comando que se necesita para obtener un movimiento lineal o circular del efector final depende dramáticamente de la ubicación en el espacio de trabajo y no varía linealmente durante el movimiento.
Aplicaciones
Las principales aplicaciones industriales de estos dispositivos son:
- simuladores de vuelo
- simuladores de automóviles
- en los procesos de trabajo
- fotónica / alineación de fibra óptica
También se vuelven más populares:
- en posicionamiento de alta velocidad y alta precisión con espacio de trabajo limitado, como en el montaje de PCB
- como micro manipuladores montados en el efector final de manipuladores en serie más grandes pero más lentos
- como fresadoras de alta velocidad / alta precisión
Los robots paralelos suelen estar más limitados en el espacio de trabajo; por ejemplo, generalmente no pueden sortear obstáculos. Los cálculos necesarios para realizar una manipulación deseada (cinemática directa) también suelen ser más difíciles y pueden conducir a múltiples soluciones.
Dos ejemplos de robots paralelos populares son la plataforma Stewart y el robot Delta .
Ver también
Referencias
Otras lecturas
- Gogu, Grigore (2008). Síntesis estructural de robots paralelos, Parte 1: Metodología . Saltador. ISBN 978-1-4020-5102-9 .
- Gogu, Grigore (2009). Síntesis estructural de robots paralelos, Parte 2: Topologías traslacionales con dos y tres grados de libertad . Saltador. ISBN 978-1-4020-9793-5 .
- Merlet, JP (2008). Robots paralelos, 2ª edición . Saltador. ISBN 978-1-4020-4132-7 .
- Kong, X .; Gosselin, C. (2007). Tipo Síntesis de mecanismos paralelos . Saltador. ISBN 978-3-540-71989-2 .
- Gallardo-Alvarado, J. (2016). Análisis cinemático de manipuladores paralelos mediante teoría algebraica de tornillos . Saltador. ISBN 978-3-319-31124-1 .