Se trata de mecanismos de cadena cerrada con menos de 6 grados de libertad compuestos por una plataforma móvil unida al sistema fijo mediante cadenas cinemáticas

Manipuladores paralelos para operaciones de ‘pick and place’

Óscar Altuzarra, Charles Pinto, Mikel Díez Sánchez, Bogdam Sandru, Víctor Petuya, Alfonso Hernández. Departamento de Ingeniería Mecánica. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Bilbao.29/07/2009

29 de julio de 2009

En el sector industrial, donde las velocidades de trabajo y los requisitos son cada vez mayores, se está optando por arquitecturas de mecanismos hasta ahora descartadas. Los manipuladores paralelos han irrumpido en la industria no sin cierto éxito. Su superior capacidad de carga y alta rigidez les permiten ofrecer prestaciones superiores a las de los robots serie en tareas en las que las altas aceleraciones y velocidades son características fundamentales.

Las nuevas familias de manipuladores paralelos de baja movilidad ofrecen soluciones eficientes para tareas como 'pick and place', tareas de orientación esféricas o centros de mecanizado de 5 ejes. Estos manipuladores son mecanismos de cadena cerrada con menos de 6 grados de libertad compuestos por una plataforma móvil unida al sistema fijo mediante diversas cadenas cinemáticas también denominadas patas. En este artículo se presentan dos prototipos [1], [2] de una familia de manipuladores paralelos desarrollados en la Universidad del País Vasco, y concretamente, en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Bilbao. Los manipuladores que se describen en este artículo corresponden a los prototipos Araba I y Araba II (ilustraciones 1 y 2, respectivamente).

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Ilustración 1: Prototipo Araba I.

Los dos mecanismos poseen 4 grados de libertad, 3 traslaciones y una rotación alrededor del eje vertical (o eje Z) del elemento terminal, y cuyo movimiento también se conoce como movimiento Schönflies. La diferencia entre ambos mecanismos radica en los actuadores, siendo actuadores lineales en caso del prototipo Araba I y de rotación en el caso del Araba 2. Estos actuadores de rotación permiten alcanzar mayores prestaciones en cuanto a velocidades, además de incrementar la capacidad de carga.

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Ilustración 2: Prototipo Araba II.

Ambos modelos están pensados para realizar operaciones de 'pick and place'. Modelos como el ABB Flexpicker [3], [4] o el Adept Quattro [5], [6] pertenecen a la misma familia de manipuladores basados en arquitecturas paralelas, luego ¿que aportan estos nuevos prototipos? Las principales ventajas que presentan los prototipos Araba I y II se deben a que a diferencia de los otros modelos comerciales constan de un único mecanismo. Por ejemplo, el ABB Flexpicker presenta un desplazamiento vertical menor debido a la necesidad de la junta universal para la generación de la rotación en el elemento terminal. Es decir en ese modelo el movimiento esta debido en dos partes, las traslaciones que se logran a partir de la arquitectura paralela del manipulador, y la rotación que se logra mediante un actuador aparte. El Adept Quattro, de la misma forma es un manipulador paralelo construido a partir de dos mecanismos que juntos generan el movimiento completo de la plataforma. Este hecho hace que la rigidez de este modelo sea menor que la de los prototipos Araba.

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Ilustración 3: esquema de una pata del prototipo Araba II.

En ambos prototipos, debido a su arquitectura completamente simétrica el movimiento angular del elemento terminal esta limitado por lo que las interferencias entre las patas limitan la rotación del elemento terminal del mecanismo a valores de ±45º. Esto supone un gran impedimento para operaciones de 'pick and place' donde se requieren rotaciones de +/-180º. Para lograr estos +/-180º se han diseñado dos mecanismos multiplicadores de giro.

El primer diseño esta basado en un sistema de engranajes planetarios (Ilustración 4). Para lograr la multiplicación del movimiento se aprovecha el hecho de que las barras CiDi (ilustración 3) poseen un movimiento de traslación pura ligeramente diferente al de la plataforma. Fijando el eje de la rueda dentada en el punto central de la plataforma se une la rueda dentada a las barras CiDi mediante una malla de traslación. El movimiento relativo entre las barras CiDi y la plataforma hará girar la rueda dentada obteniendo la multiplicación en el giro deseada.

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Ilustración 4: Sistema de engranajes planetarios.

El segundo diseño es un mecanismo basado en el mismo principio. Mediante un sistema mecánico compuesto por barras en forma de 'T', se fijan las bases de esas barras a la plataforma y los extremos de la barra en 'T' a una base. Esta base poseerá al igual que las barras CiDi un movimiento de traslación pura y en la parte inferior de la misma se colocara un multiplicador del movimiento cuyo eje de entrara se moverá solidario con la plataforma del manipulador logrando así un movimiento relativo y la correspondiente multiplicación del movimiento. En la ilustración 5 se puede ver el mecanismo a 0 y 30 grados de giro y en la ilustración 6 el elemento multiplicador.

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Ilustración 5: mecanismo multiplicador a 0º y 30º.
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Ilustración 6: elemento multiplicador.

Como se ha comentado, los prototipos Araba constan de un único mecanismo, esto les permite disponer de unos espacios de trabajo mayores. En el caso de la Araba I en el volumen reducido optimo de trabajo (ilustración 8) se pueden identificar desplazamientos horizontales del orden de 0,6 metros y un desplazamiento vertical máximo de 0,5 metros. Para el prototipo Araba II (ilustración 8) el espacio de trabajo útil es superior, siendo el desplazamiento horizontal máximo de 1,6 metros y el vertical 0,8 metros.

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Ilustración 7: volumen reducido optimo del prototipo Araba I.
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Ilustración 8: espacio de trabajo del prototipo Araba II.

Como resultado, desde el punto de vista cinemático, se muestran la destreza del manipulador en la mitad del espacio de trabajo. Los valores próximos a la unidad indican un comportamiento isótropo adecuado mientras que valores nulos representarían una transmisión de movimiento imposible.

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Ilustración 9: distribución de la destreza en el espacio de trabajo reducido del prototipo Araba II.

Desde el punto de vista práctico se define un espacio de trabajo reducido en el que no existen singularidades y por lo tanto se pueden realizar trayectoria sin pérdida de control. En la ilustración 9 se muestra dicho espacio para el manipulador Araba II.

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Ilustración 10: espacio de trabajo reducido del prototipo Araba II.

Como conclusiones, pueden extraerse las principales características de los manipuladores paralelos presentados dentro de la familia Araba. El hecho que el elemento terminal conste de una unica pieza le otorga una rigidez elevada. El espacio de trabajo de ambas versiones resulta de gran dimensión con unas cotas verticales (Z) de gran interés. Ambas propiedades, junto con los cuatro grados de libertad (tres traslaciones y una rotación) hacen que el ámbito de aplicación de estos dos manipuladores sea principalmente, el de 'pick and place' para piezas de entre 10 y 20 kilos con un rango de movimiento en dirección vertical del orden del metro.

[1] Salgado, O., Altuzarra, O., Petuya, V., and Hernández, A., 2008. “Synthesis and design of a novel 3T1R fullyparallel manipulator´´. ASME Journal of Mechanical Design, 130, pp. 0423085 1-8.

[2] Altuzarra, O; Pinto, Ch.; Petuya, V.; Sandru, b.; Diez, M., 2009. “A Symmetric Parallel Schonflies-motion Manipulator for Pick and Place”, Proceedings of International Symposium on Robotics (ISR 09). pp. 21-28

[3] Clavel, R., 1991. Conception d’un Robot Parallèle Rapide à 4 Degrés de Liberté. Tesis Doctoral, EPFL, Lausanne, Suiza.

[4] ABB group Flexpicker model: http://www.abb.com/product/seitp327/cf1b0a0847a71711c12573f40037d5cf.aspx

[5] Pierrot, F. y Company, O., 1999. Proceedings of the 1999 IEEE / ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics “H4: a New Family of 4-DOF Parallel Robots”.

[6] Adept Quattro model: http://www.adept.com/products/robots/parallel/quattro-s650h/general

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