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ES2258917A1 - Robot paralelo con cuatro grados de libertad de alta velocidad. - Google Patents

Robot paralelo con cuatro grados de libertad de alta velocidad.

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ES2258917A1
ES2258917A1 ES200500357A ES200500357A ES2258917A1 ES 2258917 A1 ES2258917 A1 ES 2258917A1 ES 200500357 A ES200500357 A ES 200500357A ES 200500357 A ES200500357 A ES 200500357A ES 2258917 A1 ES2258917 A1 ES 2258917A1
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high speed
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Francois Pierrot
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Jose Miguel Azcoitia Arteche
Ricardo Bueno Zabalo
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Fundacion Tecnalia Research and Innovation
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Fundacion Fatronik
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Publication date
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Abstract

Robot paralelo con cuatro grados de libertad de alta velocidad. Este robot paralelo comprende cuatro cadenas cinemáticas (1) articuladas por uno de sus extremos a una plataforma móvil (4) que porta la herramienta (5) y por su otro extremo, a través de una junta de rotación (2), a un actuador solidario de una placa base (3). La plataforma móvil (4) está constituida por cuatro elementos (11), (11''), (12), (12''), unidos entre sí mediante uniones articuladas (13), siendo al menos dos de los elementos paralelos entre sí, constituyendo una plataforma móvil articulada con un grado de libertad en el plano de la plataforma móvil. Los actuadores están posicionados con cualquier orientación en la placa base (2) y preferentemente a 45º, 135º, 225º y 315º.

Description

Robot paralelo con cuatro grados de libertad de alta velocidad.
Objeto de la invención
El robot de la invención tiene por objeto mover una plataforma que porta la correspondiente herramienta, con cuatro grados de libertad (tres traslaciones y un giro en torno al eje vertical), con aceleraciones y velocidades muy altas en cualquier dirección.
Es también objeto de la invención que los actuadores del robot estén dispuestos de forma simétrica, permitiendo un comportamiento homogéneo y una alta rigidez en todo el volumen de trabajo.
Este robot está especialmente indicado para tareas de pick & place.
Antecedentes de la invención
Los robots paralelos estás constituidos generalmente por un soporte fijo o placa base sobre el cual se montan unos actuadores que, a través de unos brazos articulados o cadenas cinemáticas se unen a una plataforma móvil a la cual se encuentra amarrada la herramienta correspondiente.
Un robot de este tipo con tres grados de libertad se describe por ejemplo en la Patente US 4.976.582, mientras que en la Patente EP 1 084 802 se describe un robot paralelo con cuatro grados de libertad (tres traslaciones y un giro).
Los robots paralelos con cuatro grados de libertad son muy adecuados para realizar tareas de manipulación de piezas, empaquetado y ensamblaje, y gozan de ventajas frente a robots paralelos más complejos, por ejemplo con 6 grados de libertad, en lo que se refiere a simplicidad, precio y rapidez de movimientos.
La Patente Europea 1 084 802 tiene por objeto un robot paralelo en el cual todas las uniones de la plataforma móvil son del tipo articulación, siendo éste un factor favorable para alcanzar altas velocidades y aceleraciones. Este robot comprende cuatro cadenas cinemáticas accionadas mediante cuatro actuadores que están fijados por uno de sus extremos y con una orientación específica a la placa base y por su otro extremo a la cadena cinemática. Las cadenas cinemáticas, a su vez, están unidas a la plataforma móvil que porta la herramienta, estando la plataforma móvil constituida por dos piezas o barras que se unen en sus extremos a las cuatro cadenas cinemáticas y una tercera barra que se monta entre las dos primeras, a través de dos uniones articuladas, siendo esta barra la que porta la herramienta.
La plataforma móvil permite una rotación de \pm 45º que se puede amplificar mediante el empleo de coronas dentadas.
El diseño específico de la plataforma móvil y el empleo de uniones articuladas conlleva a obtener una configuración isostática e impone una disposición de las cadenas cinemáticas, y como consecuencia de los actuadores, no homogénea. Esta disposición particular de los actuadores unido a la configuración isostática impide que el robot tenga un comportamiento homogéneo y alta rigidez en todo el volumen de trabajo, lo cual supone una importante desventaja.
Una configuración modificada del robot descrito en la Patente EP 1 084 802 se describe por ejemplo en la siguiente publicación: "I4: a new parallel mechanism for SCARA motions" Proc. of IEEE ICRA: Int. Conf. on Robotics and Automation, Taipei, Taiwan, September 14-19, 2003.
La configuración descrita en este artículo pretende compensar la principal limitación de la Patente EP 1 084 802, es decir, el comportamiento no homogéneo y la baja rigidez que la configuración presenta en todo el volumen de trabajo.
Esta nueva configuración se basa fundamentalmente en un nuevo diseño de plataforma móvil, que debe resolver los problemas mencionados, sustituyendo uniones articuladas por uniones prismáticas y las coronas dentadas por piñones-cremallera. Estos cambios implican, en primer lugar, una importante reducción del riesgo de colisión entre las diferentes piezas de la plataforma móvil.
En concreto, la plataforma móvil está formada por tres piezas, dos laterales y una central, estando las piezas laterales unidas por sus extremos a las cuatro cadenas cinemáticas a través de uniones esféricas, al igual que en la Patente EP 1 084 802, mientras que la pieza central se une a las piezas laterales mediante una unión prismática. Las cuatro cadenas cinemáticas están fijadas, a su vez, a la plataforma fija a través de los correspondientes cuatro actuadores.
En esta configuración, al igual que en la de la Patente Europea 1 084 802 se pueden sustituir los motores de rotación por motores lineales y las uniones articuladas por uniones universales. En el caso concreto de la nueva configuración descrita en el mencionado artículo se emplean cuatro motores lineales dispuestos en el mismo plano y alineados en la misma dirección.
Otra configuración se describe en el siguiente artículo: "A High-Speed Parallel Robot for Scara Motions" Proceeding of the 2004 IEEE International Conference on Robotics & Automotion, New Orleans, LA, USA, April 26-May 1, 2004.
Este robot está formado por cuatro cadenas cinemáticas, unidas a la plataforma móvil, accionadas por cuatro actuadores de rotación, unidos a la base fija. Las principales diferencias frente a la configuración anteriormente descrita son el empleo de actuadores de rotación y el diseño de la plataforma móvil. En concreto, la plataforma móvil está formada por dos piezas unidas entre sí mediante una guía prismática y un sistema de polea-cable que transforma el movimiento lineal de translación de la guía en el giro deseado. Este diseño de plataforma móvil permite que los actuadores estén dispuestos a 90º unos respecto a otros lo que implica un diseño simétrico y un comportamiento homogéneo en todo el volumen de
trabajo.
La principal desventaja de las dos últimas configuraciones descritas es la limitación para alcanzar altas aceleraciones y velocidades, requerimiento principal de las aplicaciones de pick & place. Esta limitación es debida al empleo de guías prismáticas y más en concreto a la recirculación de las bolas de las guías de rodadura.
Descripción de la invención
El robot objeto de la invención presenta las ventajas de los robots con cuatro grados de libertad mencionados, eliminando sus desventajas.
En concreto, las ventajas principales del robot de la invención son alta rigidez, alta precisión, comportamiento homogéneo en todo el volumen de trabajo, buen comportamiento dinámico y muy altas velocidades y aceleraciones en cualquier dirección.
Estas propiedades se consiguen gracias a la disposición simétrica de sus actuadores, a la utilización de uniones articuladas en la plataforma móvil y un nuevo diseño de la plataforma móvil.
En concreto, la plataforma móvil del robot de la invención está compuesta por cuatro piezas unidas entre sí mediante juntas de revolución, siendo al menos dos de las piezas paralelas entre sí, constituyendo una plataforma móvil articulada denominada paralelogramo plano que tiene un grado de libertad en dicho plano.
La herramienta de trabajo es solidaria a cualquiera de las cuatro piezas que componen la plataforma móvil.
Las cadenas cinemáticas están formadas por un paralelogramo espacial compuesto por cuatro barras, paralelas dos a dos, que se unen mediante juntas esféricas.
Estas cadenas cinemáticas se unen por uno de sus extremos a una de las uniones articuladas de la plataforma móvil y por su otro extremo, a través de una junta de rotación o traslación, a sendos actuadores montados en la placa base localizada en la parte superior del robot, con la particularidad de que los actuadores están posicionados en la placa base con cualquier orientación.
Los actuadores preferentemente estarán colocados de forma simétrica en una estructura fija, de tal manera que esta disposición simétrica de los actuadores y, sobre todo, el empleo de un paralelogramo plano en la plataforma móvil permite conseguir un excelente comportamiento dinámico, alta rigidez y comportamiento homogéneo en todo el volumen de trabajo.
Controlando los actuadores, la plataforma móvil se desplaza con cuatro grados de libertad, tres translaciones y una rotación respecto al eje vertical.
El grado de libertad asociado al paralelogramo plano es una rotación respecto al eje vertical que permite a la herramienta de trabajo un giro entre -45º y +45º.
Para aumentar el rango de rotación de la herramienta de trabajo, se puede incluir un mecanismo mecánico adicional, mediante correa, poleas o engranajes. En este caso, la herramienta de trabajo será solidaria a alguna de las piezas mecánicas adicionales que se precisan.
Descripción de los dibujos
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra una perspectiva del robot objeto de la invención.
Figura 2.- Muestra un detalle en planta de la plataforma móvil y de sus uniones a las cadenas cinemáticas del robot.
Figura 3.- Muestra una vista en planta del robot objeto de la invención.
Figura 4.- Muestra una vista en planta de la plataforma móvil y de una realización preferente en cuanto al posicionamiento de los actuadores.
Figura 5.- Muestra una perspectiva de la plataforma móvil, incluyendo un mecanismo de amplificación compuesto por dos poleas y una correa.
Figura 6.- Muestra una perspectiva de la plataforma móvil, incluyendo el mecanismo de amplificación compuesto por un sector dentado y una rueda dentada.
Figura 7.- Muestra una perspectiva de la plataforma móvil, incluyendo un elemento intermedio y un mecanismo de amplificación compuesto por dos poleas y una correa.
Figura 8.- Muestra una perspectiva de la plataforma móvil, incluyendo un elemento intermedio y un mecanismo de amplificación compuesto por un sector dentado y una rueda dentada.
Figura 9.- Muestra una perspectiva de la plataforma móvil, incluyendo dos elementos intermedios y un mecanismo de amplificación compuesto por una caja de engranajes.
Realización preferente de la invención
El robot objeto de la invención, tal y como se observa en la figura 1, comprende cuatro cadenas cinemáticas (1), unidas por uno de sus extremos, mediante juntas de rotación (2), a actuadores fijados a la placa base (3), y por su otro extremo, a una plataforma móvil (4) sobre la cual se monta la herramienta de trabajo (5).
Cada una de las cadenas cinemáticas está compuesta por cuatro barras (6), (6'), (7), (7'), paralelas dos a dos, y unidas entre sí mediante juntas esféricas (8). En una realización alternativa, las cadenas cinemáticas se constituyen mediante una única barra con dos uniones cardan o universales en sus extremos.
Cada uno de los cuatro actuadores, está compuesto por un soporte (9) de fijación a la placa base (3), un motor de rotación (10) unido al soporte (9), y un brazo solidario al eje del motor que provoca el giro de la junta de rotación (2). En una realización alternativa, se emplean cuatro motores lineales dispuestos en el mismo plano y alineados en la misma dirección.
La plataforma móvil (4) está compuesta por cuatro elementos (11), (11'), (12), (12'), vinculados entre sí mediante juntas de revolución (13), siendo al menos dos de los elementos que constituyen la plataforma móvil (4) son paralelos entre sí, para constituir una plataforma móvil articulada con un grado de libertad en el plano de la plataforma móvil y, mas concretamente, un giro respecto de un eje perpendicular al plano de la citada plataforma móvil (4). Esta rotación permite a la herramienta de trabajo un giro entre -45 y +45º, que puede aumentar mediante mecanismos amplificadores adicionales, que se describirán mas adelante.
La herramienta (5) es solidaria a cualquiera de los elementos (11), (11'), (12), (12').
En una forma de realización, mostrada en las figuras adjuntas, dos de los elementos (11) y (11') están constituidos por unos brazos que cuentan en sus extremos con prolongaciones transversales (14) previstas de un orificio interior en el cual se alojan y pueden girar las barras (7') de las cadenas cinemáticas (1), mientras que los brazos (12) y (12') están constituidos por barras que se unen articuladamente sobre las prolongaciones transversales (14) de las barras (11) y (11').
Tal y como se observa en la figura 3, las barras (7') de las cadenas cinemáticas (1) presentan la misma orientación espacial que los ejes de salida de los motores (10) de los actuadores, estando los actuadores posicionados simétricamente en la placa base (3), lo que permite obtener una alta rigidez, alta precisión de posicionamiento y un comportamiento homogéneo en todo el volumen de trabajo.
La mejor disposición de los actuadores, y como consecuencia de las barras (7') de las cadenas cinemáticas y de las prolongaciones (14) de la plataforma móvil (4), son 45º, 135º, 225º y 315º, según se observa en la figura 4, aunque existen infinitas posibilidades para la disposición de los actuadores.
La plataforma móvil puede incorporar un mecanismo de amplificación de la rotación de la herramienta para incrementar su rango de giro. El ensamblaje de estos mecanismos en la plataforma móvil requiere, en muchos casos, de piezas adicionales.
A continuación, se describen distintas realizaciones de mecanismos de amplificación de la rotación según se ha representado en las figuras 5 a 9.
En una primera realización mostrada en la figura 5, la plataforma móvil (4) está compuesta por cuatro elementos (11), (11'), (12), (12'), unidos mediante juntas de revolución (13). Al menos, dos de los cuatro elementos son paralelas entre sí. El mecanismo de amplificación está compuesto por dos poleas (15), una montada sobre el elemento (11'), y otra (16) montada sobre el elemento (11) y una correa (17) dispuesta entre ambas poleas (15) (16). En esta realización, la herramienta de trabajo esta unida al eje de la polea (16).
En una segunda realización mostrada en la figura 6, el elemento (11) presenta un sector de corona dentada (18) y el elemento (11') una rueda dentada (19) que engrana con el sector de corona dentada (18). En este caso, la herramienta de trabajo (5) está unida a la corona dentada y tiene también cuatro grados de libertad.
En las figuras 7 y 8 se han representado realizaciones alternativas en las que la plataforma móvil (4) incorpora un elemento o brazo adicional (20).
En una realización, según la figura 7, la plataforma móvil (4) está formada por cinco elementos (11), (11'), (12), (12') y (20), unidos entre sí mediante uniones de revolución. Los cuatro elementos (11) y (11'), (12) y (12') son paralelos entre sí dos a dos y se unen a través de sus extremos. El quinto elemento (20) se coloca paralelo a una de las parejas de elementos (12), (12') y sus extremos se unen a los otros dos elementos (11) y (11').
La amplificación de la rotación del elemento de trabajo se obtiene mediante dos poleas (21) (22), una de ellas montada sobre uno de los elementos (11), (11') y la otra sobre el elemento adicional (20), y la correspondiente correa (23). La herramienta de trabajo (5) va montada sobre la polea (22).
En la figura 8, la plataforma móvil (4) está compuesta por los mismos cinco elementos (11), (11'), (12), (12') y (20) de la realización representada en la figura 7, consiguiéndose la amplificación de la rotación del elemento de trabajo mediante un sector de corona dentada (24) previsto en uno de los elementos (11), (11') y por una rueda dentada (25) montada en el elemento adicional (20), estando la herramienta de trabajo (5) montada en la corona dentada (25).
En la figura 9, la plataforma móvil (4) está formada por seis piezas (11), (11'), (12), (12'), (20) y (26) unidas entre sí mediante juntas de revolución. La plataforma móvil (4) está compuesta por los mismos elementos que las representadas en las figuras (7) y (8) pero comprende un sexto elemento (26) que se coloca paralelo a la pareja de elementos (11), (11'), de tal forma que las seis piezas son paralelas tres a tres. Los dos elementos adicionales (20) y (26) se unen en un punto medio (27), en el cual se coloca la herramienta de trabajo (5). La amplificación de rotación se consigue empleando una caja de engranajes (28) y colocándola en la intersección de las dos piezas adicionales (20) y (26).

Claims (21)

1. Robot paralelo con cuatro grados de libertad de alta velocidad que comprende cuatro cadenas cinemáticas (1) articuladas por uno de sus extremos a una plataforma móvil (4) que porta la herramienta (5) y por su otro extremo, a través de una junta de rotación (2), a un actuador solidario de una placa base (3) caracterizado porque la plataforma móvil (4) está constituida por cuatro elementos (11), (11'), (12), (12'), vinculados entre sí mediante uniones articuladas (13).
2. Robot paralelo con cuatro grados de libertad de alta velocidad, según reivindicación 1, caracterizado porque los elementos (11), (11'), (12), (12'), se unen entre sí, a través de sus extremos, siendo al menos dos de los elementos paralelos entre sí, constituyendo una plataforma móvil articulada con un grado de libertad en el plano de la plataforma móvil.
3. Robot paralelo con cuatro grados de libertad de alta velocidad, según reivindicación 2, caracterizado porque el grado de libertad de la plataforma móvil es una rotación respecto al eje vertical, con un rango de -45º a 45º.
4. Robot paralelo con cuatro grados de libertad de alta velocidad, según reivindicación 1, caracterizado porque los actuadores, que incluyen motores de rotación, están posicionados en la placa base (3) en cualquier dirección.
5. Robot paralelo con cuatro grados de libertad de alta velocidad, según reivindicación 4, caracterizado porque los actuadores están posicionados en la placa base (3) de forma simétrica.
6. Robot paralelo con cuatro grados de libertad de alta velocidad, según reivindicación 5, caracterizado porque los actuadores están posicionados en la placa base (3) a 45º, 135º, 225º y 315º.
7. Robot paralelo con 4 grados de libertad de alta velocidad, según reivindicación 1, caracterizado porque los actuadores, incluyen motores lineales, dispuestos en el mismo plano y alineados en la misma dirección.
8. Robot paralelo con cuatro grados de libertad de alta velocidad, según reivindicación 1, caracterizado porque cada una de las cadenas cinemáticas (1) están compuesta por cuatro barras (6),(6'),(7),(7'), paralelas dos a dos, que se unen mediante juntas esféricas, estando unidas a la plataforma móvil (4) y a los actuadores (2), de tal forma que la barra de unión (7') a la plataforma móvil (4) presenta la misma orientación que el actuador correspondiente.
9. Robot paralelo con cuatro grados de libertad de alta velocidad, según reivindicación 1, caracterizado porque algunas o todas de sus cadenas cinemáticas (1) están constituidas mediante una única barra con 2 uniones cardán o universales en sus extremos, estando unidas a la plataforma móvil (4) y a los actuadores (2).
10. Robot paralelo con cuatro grados de libertad de alta velocidad, según reivindicación 1, caracterizado porque la plataforma móvil (4) incorpora un mecanismo de amplificación de la rotación de la herramienta de trabajo (5).
11. Robot paralelo con cuatro grados de libertad de alta velocidad, según reivindicación 10, caracterizado porque el mecanismo de amplificación está compuesto por dos poleas (15) (16), una de ellas (15) montada en uno de los cuatro elementos de la plataforma móvil (4), y la otra (16) unida a otro de los elementos de la plataforma móvil, y una correa (17) dispuesta entre ambas poleas (15) (16) montándose la herramienta de trabajo (5) en el eje de la polea (16).
12. Robot paralelo con cuatro grados de libertad de alta velocidad, según reivindicación 10, caracterizado porque el mecanismo de amplificación está compuesto por sector dentado (18) previsto en uno de los elementos de la plataforma móvil (4), una rueda dentada (19) prevista en otro de los elementos de la plataforma móvil, estando la herramienta de trabajo (5) unida a la rueda dentada (19).
13. Robot paralelo con cuatro grados de libertad de alta velocidad, según reivindicación 1, caracterizado porque la plataforma móvil adicionalmente comprende un elemento intermedio (20) dispuesto entre dos de los elementos de la plataforma móvil (4), mediante uniones articuladas, montándose la herramienta de trabajo (5) en el elemento intermedio (20).
14. Robot paralelo con cuatro grados de libertad de alta velocidad, según reivindicación 13, caracterizado porque los elementos que constituyen la plataforma móvil (4) están dispuestos paralelos dos a dos y el elemento intermedio (20) se monta en paralelo a una de las parejas de brazos (12,12') que componen la plataforma móvil y se une a los otros dos elementos (11,11') en su parte central.
15. Robot paralelo con cuatro grados de libertad de alta velocidad, según reivindicación 14, caracterizado porque incorpora un mecanismo de amplificación del giro de la herramienta de trabajo.
16. Robot paralelo con cuatro grados de libertad de alta velocidad, según reivindicación 15, caracterizado porque el mecanismo de amplificación está compuesto por dos poleas (21) (22), una de ellas (21) montada en uno de los cuatro elementos de la plataforma móvil (4) y la otra (22) unida al elemento intermedio (20), y una correa (23) dispuesta entre ambas poleas (21) (22) montándose la herramienta de trabajo (5) en el eje de la polea (22).
17. Robot paralelo con cuatro grados de libertad de alta velocidad, según reivindicación 15, caracterizado porque el mecanismo de amplificación está compuesto por sector dentado (24) previsto en uno de los elementos de la plataforma móvil (4) y una rueda dentada (25) prevista en el elemento intermedio (20), estando la herramienta de trabajo (5) unida a la rueda dentada (25).
18. Robot paralelo con cuatro grados de libertad de alta velocidad, según reivindicación 1, caracterizado porque la plataforma móvil (4) adicionalmente comprende dos elementos intermedios (20), (26) unidos a la plataforma móvil (4) mediante uniones articuladas.
19. Robot paralelo con cuatro grados de libertad de alta velocidad, según reivindicación 18, caracterizado porque los elementos que constituyen la plataforma móvil (4) están dispuestos paralelos tres a tres, con uno de los elementos intermedios (20) montado en paralelo a una de las parejas de brazos (12,12') que componen la plataforma móvil (4) y unido a los otros dos elementos (11,11') en su parte central, mientras que el segundo elemento intermedio (26) se monta en paralelo a la segunda pareja de brazos (11,11') de la plataforma móvil (4) y unido a los otros dos elementos (12,12') en su parte central, uniéndose los dos elementos intermedios (20) y (26) en un punto (27) en el cual se coloca la herramienta de trabajo (5).
20. Robot paralelo con cuatro grados de libertad de alta velocidad, según reivindicación 19, caracterizado porque la plataforma móvil incluye un elemento de amplificación del giro de la herramienta.
21. Robot paralelo con cuatro grados de libertad de alta velocidad, según reivindicación 20, caracterizado porque el elemento de amplificación comprende una caja de engranajes (28), montada en el punto (27) de unión de los elementos intermedios (20) y (26).
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