ROBOT PARALELO CON CUATRO GRADOS DE LIBERTAD

D E S C R I P C I ó N

OBJETO DE LA INVENCIóN

El robot de Ia invención tiene por objeto mover una plataforma que porta una herramienta para Ia manipulación de objetos o para Ia realización de acciones pick & place, con cuatro grados de libertad (tres traslaciones y un giro en torno a una dirección vertical), con aceleraciones y velocidades muy altas en cualquier dirección.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIóN

Un robot paralelo comprende un soporte fijo o placa base sobre el cual se montan unos actuadores que, actúan sobre unos brazos articulados o cadenas cinemáticas que se unen a una plataforma móvil, en Ia cual se dispone Ia correspondiente herramienta.

En las publicaciones de patente estadounidenses US-A-4976582 y

US 6729202 se describen robots paralelos con tres grados de libertad y en Ia publicación de patente europea EP-A-1084802 se describe un robot paralelo con cuatro grados de libertad, en concreto, tres traslaciones y un giro.

Los robots paralelos con cuatro grados de libertad, tres traslaciones y un giro en torno a una dirección principal, son muy adecuados para realizar tareas de manipulación o ensamblaje de piezas, y son mas sencillos, rápidos y baratos que robots paralelos más complejos, por ejemplo con 6 grados de libertad. A priori, se podría pensar en Ia definición de un robot paralelo de cuatro grados de libertad a partir de uno de complejidad inferior,

como podría ser un robot de tres grados de libertad. Por ejemplo, en Ia publicación de Patente US 4.976.582 se describe Ia posibilidad de obtener un cuarto grado de libertad mediante Ia incorporación de una cuarta cadena cinemática que acciona directamente el cuarto grado de libertad (el giro de Ia herramienta), pero una solución de este tipo hace que este robot no presente una estructura paralela, por Io que queda fuera del campo de aplicación de Ia invención.

EP-A-1084802 describe un robot paralelo en el cual las uniones de Ia plataforma móvil son del tipo articulación, Io que permite alcanzar altas velocidades y aceleraciones. En concreto comprende cuatro cadenas cinemáticas, unidas por un lado a Ia plataforma móvil y por el otro, a través de actuadores rotativos, a Ia placa base. La plataforma móvil esta constituida por dos barras que se unen en sus extremos a las cuatro cadenas cinemáticas y una barra adicional, montada entre las dos primeras barras a través de uniones articuladas. La barra adicional es Ia que porta Ia herramienta. Con esta plataforma móvil se puede obtener una rotación de Ia herramienta de ± 45°. Para conseguir una rotación mayor, es preciso incorporar elementos adicionales, por ejemplo, coronas dentadas.

Además, este diseño tiene un comportamiento poco homogéneo. Para compensar esta limitación, el propio titular de Ia Patente EP 1 084 802 desarrolló una nueva configuración descrita en Ia publicación: "14: a new parallel mechanism for SCARA motions" Proc. of IEEE ICRA: Int. Conf. on Robotics and Automation, Taipei, Taiwan, September 14-19, 2003. En esta nueva configuración, Ia plataforma móvil comprende uniones prismáticas en lugar de uniones articuladas y las coronas dentadas se sustituyen por piñones-cremallera, reduciendo así los riesgos de colisión entre los elementos de Ia plataforma móvil.

La publicación WO-A-2006/087399 propone una solución a los problemas antes mencionados mediante una plataforma móvil constituida por cuatro elementos vinculados entre sí por uniones articuladas y cuatro cadenas cinemáticas formadas por cuatro barras paralelas siendo al menos dos paralelas y unidas mediante juntas de rotación esféricas.

Dicha solución presenta como desventajas el hecho de que Ia plataforma móvil debe ser montada uniendo los diferentes elementos que Ia constituyen, así como que el funcionamiento y realización de las juntas de rotación esféricas difícilmente corresponden con los valores teóricos.

DESCRIPCIóN DE LA INVENCIóN

La invención se refiere a un robot paralelo, capaz de mover una plataforma en Ia que porta una herramienta con cuatro grados de libertad, tres traslaciones y un giro en torno a una dirección vertical, el cual comprende cuatro cadenas cinemáticas articuladas o brazos articulados, pudiendo ser éstos iguales. Cada una de estas cadenas cinemáticas está unida por un primer extremo a una plataforma móvil, por ejemplo de forma poligonal, preferentemente de forma cuadrada. En dicha plataforma móvil puede situarse una herramienta. Por un segundo extremo las cadenas cinemáticas articuladas se unen a un elemento fijo.

De acuerdo con Ia invención dicha plataforma móvil está constituida por un elemento rígido. Por elemento rígido se entiende un único elemento no flexible, o un elemento formado por Ia unión de una serie de miembros de tal modo que dicha unión sea rígida y no permita un movimiento relativo entre los diferentes miembros, formando por Io tanto un único elemento desde un punto de vista mecánico.

De esta manera se consigue que Ia realización sea más sencilla al evitar Ia unión de los diferentes elementos de Ia plataforma móvil mediante juntas esféricas u otro tipo de juntas. Como ya se ha mencionado, Ia plataforma de Ia presente invención es rígida, es decir, constituida por un único elemento rígido o por una pluralidad de ellos unidos sin que exista ningún grado de libertad en Ia unión. El modelado cinemático de Ia plataforma, por Io tanto, se simplifica al no tener ésta ningún grado de libertad. Por último, el desgaste o riesgo de rotura de Ia plataforma móvil queda minimizado por Ia ausencia de movimiento relativo entre los diferentes elementos de Ia misma.

Cada cadena cinemática articulada de Ia presente invención puede comprender dos primeras barras paralelas unidas por sus extremos mediante respectivas primeras juntas de rotación a dos segundas barras paralelas. Una de las primeras barras estará situada en Ia proximidad de Ia plataforma móvil y Ia otra en Ia proximidad del elemento fijo. Las dos segundas barras unirán las dos primeras barras en Ia dirección del elemento fijo a Ia plataforma móvil. Dicha unión de las primeras barras y las segundas barras forma un paralelogramo articulado. Los lados de dicho paralelogramo articulado, es decir, las primeras barras y segundas barras, quedan todos contenidos en un mismo plano. Esta configuración se mantiene tanto en Ia posición de reposo como en el movimiento de Ia cadena cinemática. Esto es debido a que los ejes de giro de las citadas primeras juntas de rotación son todos paralelos y a su vez perpendiculares al plano que contiene las primeras y segundas barras.

Las dos primeras barras pueden comprender en su zona media unas segundas juntas de rotación con sus ejes de giro paralelos entre sí. Una primera de las segundas de rotación está configurada para unirse a Ia plataforma móvil y una segunda de las segundas juntas de rotación configurada para unirse al elemento fijo.

Los ejes de giro de las segundas juntas de rotación pueden ser paralelos a los ejes formados por las dos primeras barras, permitiendo un movimiento de rotación en torno al eje que definen las propias primeras barras.

La primera de las segundas juntas de rotación, de cada una de las cadenas cinemáticas articuladas puede estar unida a Ia plataforma móvil mediante una barra articulada y a través de una cuarta junta de rotación, siendo los ejes de giro de cada una de las cuartas juntas de rotación paralelos entre sí. De esta forma, Ia barra articulada se une por un extremo a Ia plataforma móvil (a través de Ia cuarta junta de rotación) y por otro extremo a Ia cadena cinemática articulada (a través de Ia primera de las segundas juntas de rotación).

Los ejes de giro de las cuartas juntas de rotación pueden ser perpendiculares al plano de Ia plataforma móvil. Se contempla como posibilidad de que Ia segunda de las segundas juntas de rotación, de cada cadena cinemática articulada del robot paralelo esté unida al elemento fijo mediante un actuador lineal o junta prismática.

Dicho elemento fijo puede estar formado por cuatro barras fijas en las que deslizan las juntas prismáticas mencionadas anteriormente. Cada cadena cinemática articulada estará montada mediante Ia segunda de las segundas juntas de rotación a Ia junta prismática correspondiente, según un eje paralelo a Ia extensión de una de las primeras barras. La posición de dichas barras fijas puede ser horizontal, vertical o inclinada respecto a un plano horizontal o vertical.

Frente a Ia configuración en Ia que el elemento fijo esté constituido por barras y su unión a las cadenas cinemáticas sea a través de una junta prismática que simultáneamente permite el giro de dichas barras respecto a

las cadenas cinemáticas en las segundas de las segundas juntas de rotación, se contempla adicionalmente Ia posibilidad de que las cadenas cinemáticas articuladas estén unidas al elemento fijo mediante barras articuladas que se unen por un primer extremo a Ia segunda de las segundas juntas de rotación de cada cadena cinemática articulada y por un segundo extremo a terceras juntas de rotación motorizadas que están fijadas al elemento fijo.

La posición de cada tercera junta de rotación puede ser tal que su eje de rotación sea paralelo al eje de giro de las segundas juntas de rotación.

Alternativamente, los ejes de rotación de las terceras juntas de rotación pueden ser paralelos a los ejes de giro de las cuartas juntas de rotación.

Las terceras juntas de rotación pueden ser accionadas por motores rotativos.

Las cuatro cadenas cinemáticas articuladas del robot paralelo pueden ser iguales o bien el robot paralelo puede comprender una combinación de las cadenas cinemáticas descritas.

DESCRIPCIóN DE LOS DIBUJOS

Para complementar Ia descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de Ia invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado Io siguiente:

Figura 1.- Muestra una vista en perspectiva del mecanismo objeto de Ia invención según una primera realización.

Figura 2.- Muestra una vista en perspectiva del mecanismo objeto de Ia invención según una segunda realización. Figura 3.- Muestra una vista en perspectiva del mecanismo objeto de

Ia invención según una tercera realización.

Figura 4.- Muestra una vista en perspectiva del mecanismo objeto de Ia invención según una cuarta realización.

Figura 5.- Muestra una vista en perspectiva del mecanismo objeto de Ia invención según una quinta realización.

Figura 6.- Muestra una vista en perspectiva del mecanismo objeto de Ia invención según una sexta realización.

Figura 7.- Muestra una vista en perspectiva del mecanismo objeto de Ia invención según una séptima realización. Figura 8.- Muestra una vista en perspectiva del mecanismo objeto de

Ia invención según una octava realización.

REALIZACIóN PREFERENTE DE LA INVENCIóN

El robot paralelo propuesto en Ia presente invención tiene por objeto mover una plataforma móvil (3) que porta una herramienta (4) para Ia manipulación de objetos o tareas de pick & place, con cuatro grados de libertad, tres de traslación y un giro en torno a una dirección vertical.

Dicho robot se compondrá de una plataforma móvil (3), plataforma capaz de desplazarse con los cuatro grados de libertad anteriormente citados, perfectamente adaptada para portar las herramientas (4) y/u objetos que se consideren oportunos, que se unirá a un elemento fijo (5) por medio de cuatro cadenas cinemáticas articuladas (1 ) de idéntica morfología, cadenas cinemáticas articuladas (1) que estarán compuestas por diferentes

elementos unidos entre sí por juntas cinemáticas inferiores (juntas de rotación o prismáticas).

Refiriéndonos a Ia FIG 1 , Ia plataforma móvil (3) se unirá al elemento fijo (5), mediante cuatro cadenas cinemáticas articuladas (1 ) de idéntica morfología PRPaRR. Dichas cadenas cinemáticas articuladas (1 ) estarán compuestas por un accionamiento lineal prismático o junta prismática (15), dispuestos sobre una base fija y orientados en Ia dirección mostrada en Ia FIG 1. Dicho actuador lineal (15) definirá Ia primera junta cinemática que compone Ia cadena PRPaRR, en este caso una junta prismática (P).

Sobre dicha junta prismática (P) se situará un elemento dotado de una segunda junta de rotación (R) (13) cuyo eje está dispuesto perpendicularmente a Ia dirección del actuador lineal y paralelo a Ia segunda de las primeras barras (7), según se puede observar en Ia FIG 1. Dicha segunda junta de rotación (13) de Ia segunda primera barra (7) servirá para unir el actuador lineal (15) con Ia estructura de paralelogramo articulado (1 ).

Dicha estructura paralelogramo articulado (Pa) (1 ) está formada por cuatro barras articuladas (6, 7, 9, 10) unidas entre sí por primeras juntas de rotación (R) (8), dotadas de movimiento plano gracias al hecho de que los ejes (11 ) de las cuatro juntas de rotación (R) (8) que Ia definen son paralelos. La longitud respectiva de las primeras barras (6, 7) será idéntica, del mismo modo que también será idéntica Ia longitud de las segundas barras (9, 10). Según puede observarse en Ia FIG 1 , las primeras barras articuladas (6, 7) se unen a los diferentes elementos de Ia cadena cinemática por medio de segundas juntas de rotación (R) (12, 13), las juntas prismáticas (15) y una barra articulada (14). Los ejes de ambas segundas juntas de rotación (R) (12, 13) se definen estrictamente paralelos entre sí. En Ia realización mostrada en Ia mencionada figura 1 , los ejes de las segundas juntas de rotación (12, 13) son perpendiculares a todos y cada uno de los ejes (11 ) de las primeras juntas de rotación (R) (8) que definen Ia

estructura paralelogramo articulado. En Ia figura 7 se ha representado una realización en Ia cual los ejes de las segundas juntas de rotación (12, 13) son paralelos entre sí pero no son perpendiculares a los ejes (11 ) de las primeras juntas de rotación (8).

La plataforma móvil (3), sobre Ia que se situará el objeto y/o herramienta (4) a desplazar, se une a Ia estructura paralelogramo articulado por Ia primera de las primeras barras (12). La unión se realiza mediante una barra articulada (14), que se une a Ia plataforma móvil (3) a través de una cuarta junta rotativa (R) (17), con su eje de giro perpendicular al plano de Ia plataforma móvil (3). En las figuras 6 y 7 se representa una realización en Ia cual los ejes de giro de las cuartas juntas de rotación (17) son paralelos entre sí, pero en este caso sus ejes no son perpendiculares al plano de Ia plataforma móvil (3).

La estructura del robot queda completada una vez son ensambladas las cuatro cadenas cinemáticas articuladas (3) que Io componen.

Analizando Ia movilidad del robot paralelo es posible determinar como cada una de las cuatro cadenas cinemáticas articuladas (3) que Io componen restringen un grado de libertad a Ia plataforma móvil (3). Sin embargo, gracias a Ia particular morfología de las cadenas cinemáticas articuladas (3) empleadas y a Ia orientación de las diferentes juntas que las componen, Ia movilidad de Ia plataforma móvil (3) una vez ha sido ensamblado el manipulador es de cuatro grados de libertad, tres grados de libertad de traslación y uno de rotación.

Realizando un análisis cinemático convencional del robot paralelo representado en Ia FIG 1 , se puede definir el correcto emplazamiento de los actuadores con objeto de eliminar Ia aparición de singularidades que impidan su controlabilidad, pero manteniendo su simetría. Este

emplazamiento consistirá en el posicionamiento de los cuatro actuadores sobre un mismo plano en dos direcciones ortogonales según se muestra en Ia FIG 1 , evitando Ia colinealidad de los actuadores dispuestos en Ia misma dirección. La realización de análisis análogos permitirá determinar de igual forma el emplazamiento idóneo de los actuadores para todas y cada una de las realizaciones que se proponen a continuación.

Refiriéndonos a Ia FIG 2, Ia plataforma móvil (3) se unirá al elemento fijo (5), mediante cuatro cadenas cinemáticas articuladas (1 ) de idéntica morfología PRPaRR. Dichas cadenas cinemáticas articuladas (1) estarán compuestas por un accionamiento lineal prismático o actuador lineal (15) dispuesto en una dirección vertical según se muestra en Ia FIG 2, actuador lineal (15) que definirá Ia primera junta cinemática que compone Ia cadena PRPaRR, en este caso una junta prismática (P). Sobre dicha junta prismática (15) se situará un elemento dotado de una segunda junta de rotación (R) (13) cuyo eje está dispuesto perpendicularmente a Ia dirección del actuador lineal y paralelo al elemento inferior de Ia estructura paralelogramo articulado (Pa) o segunda de las primeras barras (7), según se puede observar en Ia FIG 2. El resto del montaje del robot paralelo es idéntico a Io comentado al describir Ia FIG 1.

Refiriéndonos a Ia FIG 3, Ia plataforma móvil (3) se unirá al elemento fijo (5), mediante cuatro cadenas cinemáticas articuladas (1 ) de idéntica morfología PRPaRR. Dichas cadenas cinemáticas articuladas (1) estarán compuestas por un accionamiento lineal prismático o actuador lineal (15) dispuesto en una dirección inclinada según se muestra en Ia FIG 3, actuador lineal (15) que definirá Ia primera junta cinemática que compone Ia cadena PRPaRR, en este caso una junta prismática (P). Sobre dicha junta prismática (P) se situará un elemento dotado de una segunda junta de rotación (R) (13) cuyo eje está dispuesto perpendicularmente a Ia dirección del actuador lineal y paralelo al elemento inferior de Ia estructura

paralelogramo articulado (Pa) o segunda de las primeras barras (7), según se puede observar en Ia FIG 3. El resto del montaje del robot paralelo es idéntico a Io comentado al describir Ia FIG 1.

Refiriéndonos a Ia FIG 4, Ia plataforma móvil (3) se unirá al elemento fijo (5), mediante cuatro cadenas cinemáticas articuladas (1 ) de idéntica morfología RRPaRR. Dichas cadenas cinemáticas articuladas (1) estarán compuestas por unas terceras juntas de rotación (16), accionadas por un motor rotativo, cuyo eje está orientado en una dirección paralela a los ejes de giro de las segundas juntas de rotación (12, 13), según se muestra en Ia

FIG 4, tercera junta de rotación (16) que definirá Ia primera junta cinemática que compone Ia cadena RRPaRR, en este caso una junta de rotación (R). Unida a dicha junta de rotación (R) (16) se situará una barra articulada (18) dotada de una junta de rotación (R) (13) o segunda junta de rotación de Ia segunda primera barra, paralela a Ia tercera junta de rotación (R) (16), cuyo eje está dispuesto paralelamente a Ia segunda primera barra (7) de Ia estructura del paralelogramo articulado (Pa), según se puede observar en Ia FIG 4. Dicha segunda junta de rotación (13) servirá para unir el elemento móvil (18) con Ia estructura del paralelogramo articulado. El resto del montaje del robot paralelo es idéntico a Io comentado al describir Ia FIG 1.

Refiriéndonos a Ia FIG 5, Ia plataforma móvil (3) se unirá al elemento fijo (5), mediante cuatro cadenas cinemáticas articuladas (1) de idéntica morfología RRPaRR. Dichas cadenas cinemáticas articuladas (1 ) estarán compuestas por unas terceras juntas de rotación (16), accionadas por un motor rotativo, cuyo eje es paralelo a los ejes de giro de las cuartas juntas de rotación (17), según se muestra en Ia FIG 5, tercera junta de rotación que definirá Ia primera junta cinemática que compone Ia cadena RRPaRR, en este caso una junta de rotación (R). El resto del montaje del robot paralelo es idéntico a Io comentado al describir Ia FIG 1.

En Ia figura 6 se representa una realización en Ia cual los ejes de giro de las cuartas juntas de rotación (17) son paralelos entre sí pero están dispuestos oblicuamente (no perpendiculares) al plano de Ia plataforma móvil (3). El resto de los componentes del robot son similares a los mostrados en Ia figura 1.

En Ia figura 7 se representa una realización en Ia cual los ejes de las segundas juntas de rotación (12, 13) son paralelos entre sí pero están dispuestos en dirección oblicua (no paralela respecto de los ejes formados por las primeras barras (6, 7). El resto de los componentes del robot son similares a los mostrados en Ia figura 1.

En Ia figura 8 se representa un robot de configuración no simétrica con dos cadenas cinemáticas RRPaRR similares a una de las cadenas cinemáticas representadas por ejemplo en Ia figura 4 y dos cadenas cinemáticas PRPaRR similares a una de las cadenas cinemáticas representadas por ejemplo en Ia figura 1.