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Title:
ROBOT FOR CONSTRUCTION BY LAYERS AND CONSTRUCTION INSTALLATION COMPRISING A CLUSTER OF ROBOTS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/156626
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a robot (1) for construction by layers comprising a tank (2) for the storage of construction material, movement means (3) designed to permit the movement of the robot (1) over a surface on which it will deposit a layer of construction material, and a head (4) for pouring said construction material. Same permits the 3D printing-type layer construction of buildings without a height limit. The invention also relates to an installation, preferably having a cluster of robots (1) according to the invention, which are controlled from a central control unit (18).

Inventors:
DE BORJA HUESO RIEU, Francisco (Huritrabe, S. L.C/ Canónig, 14-3º Oviedo, E-33003, ES)
GONZÁLEZ ALONSO, Ignacio (Huritrabe, S. L.C/ Canónig, 14-3º Oviedo, E-33003, ES)
Application Number:
ES2015/070242
Publication Date:
October 06, 2016
Filing Date:
March 30, 2015
Export Citation:
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Assignee:
HURITRABE, S. L. (C/ Canóniga, 14-3º, Oviedo, E-33003, ES)
International Classes:
B29C67/00; B28B1/00; B28B3/20; B28B15/00; B33Y30/00
Domestic Patent References:
WO2005070657A12005-08-04
Foreign References:
US20140374933A12014-12-25
CH673498A51990-03-15
US20150076732A12015-03-19
US20130292039A12013-11-07
Other References:
"3D-printed moonbase? No problem for our robots, says European Space Agency (VIDEO)", 9 November 2014 (2014-11-09), XP055229281, Retrieved from the Internet [retrieved on 20151118]
None
Attorney, Agent or Firm:
PONS ARIÑO, Ángel (Glorieta de Rubén Darío 4, Madrid, E-28010, ES)
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Claims:
R E I V I N D I C A C I O N E S

1 . - Robot de construcción por capas caracterizado por que comprende:

-un depósito (2) de almacenamiento de material constructivo,

-unos medios de desplazamiento (3) configurados para permitir el movimiento del robot sobre una superficie sobre la que va a depositar una capa de material constructivo,

-un cabezal de vertido (4) de material constructivo conectado al depósito (2) y configurado para extrudir el material de construcción sobre la superficie sobre la que se desplaza,

-al menos una batería (6) y al menos un servomotor (5) vinculado a los medios de desplazamiento (3),

-una unidad de control (7) configurada para recibir una señal con las instrucciones de desplazamiento y de vertido de material y configurada para enviar dicha señal a los medios de desplazamiento (3) y al cabezal de vertido (4).

2. - Robot de construcción por capas según la reivindicación 1 caracterizado por que los medios de desplazamiento (3) comprenden unas orugas de tracción.

3. - Robot de construcción por capas según la reivindicación 1 caracterizado por que adicionalmente comprende un brazo con pinza (8) que está conectado a la unidad de control (7) y configurado para manipular objetos.

4. - Robot de construcción por capas según la reivindicación 1 caracterizado por que adicionalmente comprende unos medios de posicionamiento (9) configurados para guiar el desplazamiento.

5. - Robot de construcción por capas según la reivindicación 4 caracterizado por que los medios de posicionamiento (9) son unos sensores de ultrasonidos.

6. - Robot de construcción por capas según la reivindicación 4 caracterizado por que los medios de posicionamiento (9) son unas balizas inalámbricas.

7. - Robot de construcción por capas según la reivindicación 1 caracterizado por que comprende unos medios de comunicación inalámbricos (10) de una señal externa configurados para recibir instrucciones desde un dispositivo de control externo y enviarlas a la unidad de control (7).

8. - Robot de construcción por capas según la reivindicación 1 caracterizado por que el cabezal de vertido (4) es un sistema de bombeo asociado a un robot cartesiano.

9. - Robot de construcción por capas según la reivindicación 1 caracterizado por que comprende un segundo depósito de almacenamiento de material aglomerante y el cabezal de vertido (4) está conectado a este segundo depósito.

10. - Instalación de construcción que comprende al menos un robot como el descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 caracterizado por que comprende al menos:

-un tanque (1 1 ) de almacenamiento de material de construcción con al menos una tubería de conexión (12) configurada para permitir la salida del material de construcción,

-una unidad de control central (18) configurada para enviar una señal con unas instrucciones de desplazamiento y de vertido de material a la unidad de control (7) de los robots (1 ).

1 1 . - Instalación de construcción según la reivindicación 10 caracterizada por que comprende adicionalmente una grúa (13) que dispone al menos de un brazo de carga (14) y que está conectada a la unidad de control central (18).

12. - Instalación de construcción según la reivindicación 1 1 caracterizada por que comprende adicionalmente un carril guía (15) sobre el que se desplaza la grúa (13) en dirección horizontal.

13. - Instalación de construcción según la reivindicación 10 caracterizada por que adicionalmente comprende un tanque de almacenamiento de material aglomerante con al menos una segunda tubería de conexión configurada para permitir la salida del material aglomerante.

14. - Instalación de construcción según la reivindicación 10 o 13 caracterizada por que comprende adicionalmente un elevador (15) que se desplaza verticalmente y que comprende unas primeras conexiones a la tuberías de conexión (12) del tanque de almacenamiento de material de construcción y a la segunda tubería de conexión del tanque de almacenamiento de material aglomerante y unas segundas conexiones (16) configuradas para unirse a los depósitos de los robots (1 ).

15. - Instalación de construcción según la reivindicación 14 caracterizada por que el elevador (15) comprende unos medios de posicionamiento del elevador configurados para regular el desplazamiento vertical del elevador (15) hasta una posición enfrentada con el robot (1 ).

16. - Instalación de construcción según las reivindicaciones 1 1 y 13 caracterizada por que el elevador (15) se desplaza sobre la grúa (13) en dirección vertical.

17. - Instalación de construcción según la reivindicación 13 caracterizada por que el elevador (15) comprende una batería central y un tubo retráctil (17) configurado para conectar la batería central y el robot (1 ).

Description:
ROBOT DE CONSTRUCCIÓN POR CAPAS E INSTALACIÓN DE CONSTRUCCIÓN QUE COMPRENDE UN ENJAMBRE DE ROBOTS

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se enmarca en el campo técnico de los sistemas de construcción por capas.

Más concretamente se describe un robot de construcción por capas y una instalación que comprende un enjambre de dichos robots y una unidad de control central que controla el movimiento de los robots y el vertido del material de construcción de forma centralizada.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La construcción por capas se basa en el funcionamiento de las impresoras 3D para automatizar el proceso constructivo de todos los elementos de una edificación. Este sistema de construcción permite construir edificaciones prediseñadas en un programa CAD/CAM/BIM.

La impresión de objetos en 3D es un campo técnico que se ha desarrollado mucho en los últimos años. Esta técnica se basa en la fabricación de objetos mediante la deposición de capas de material hasta obtener la forma final del objeto. En algunos casos la impresión 3D se realiza empleando material en polvo que se va haciendo solidificar por capas, por ejemplo mediante un láser que calienta la sección correspondiente.

Actualmente estas técnicas de impresión 3D se han empezado a utilizar a gran escala, por ejemplo para la construcción de edificaciones mediante sistemas de construcción por capas, que están basados en los principios descritos. Una ventaja asociada a los sistemas de construcción por capas es la facilidad de construcción de muros de formas curvas. Asimismo permiten la construcción de estructuras complejas de forma rápida y a bajo coste.

Sin embargo los sistemas actualmente conocidos tienen un importante problema técnico asociado que es la limitación de altura de las construcciones que se pueden llevar a cabo con ellos. Esto es debido a que los sistemas del estado de la técnica de construcción por capas comprenden una grúa-puente de la que cuelgan los elementos encargados del vertido de hormigón y por tanto es la altura de la grúa-puente lo que limita la altura de las construcciones.

Del estado de la técnica se conoce por ejemplo un sistema de construcción 3D que comprende una grúa-puente de materiales ligeros que mantiene unas buenas relaciones de resistencia a la carga gracias a la inclusión de tensores en su estructura.

Asimismo se han realizado desarrollos de este tipo de sistemas enfocados a la forma de llevar el material de vertido desde los depósitos de material que están a nivel de suelo hasta la parte superior de la grúa-puente. En estos sistemas es necesario que el material llegue hasta el brazo de vertido desde la parte superior para evitar que haya tubos colgando en el vano del puente que podrían interferir en el movimiento del brazo o en el vertido de material.

También se conocen por ejemplo grúas-puente que son desmontables y que están al menos parcialmente instaladas en un camión para permitir un desplazamiento más rápido y sencillo de la instalación hasta el lugar de la construcción.

En este sentido se han realizado desarrollos que permiten mejorar los sistemas de construcción por capas pero siempre enfocados al empleo de grúas-puente para el vertido del material de construcción. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención propone un robot de construcción por capas y una instalación de construcción que comprende dicho robot.

El robot de construcción por capas descrito permite la colocación de una pluralidad de capas, unas sobre otras, para conformar al menos una sección constructiva de una edificación, como por ejemplo una pared de una casa. La gran ventaja que aporta el robot de la presente invención es que se desplaza directamente sobre las capas de la construcción previamente depositadas por lo que no hay límite de altura para la construcción.

Preferentemente para garantizar un rápido secado del material de construcción y permitir el desplazamiento del robot sobre las capas previas, el material de construcción está mezclado con un aglomerante que permite el rápido endurecimiento de dicho material una vez que se ha vertido.

El funcionamiento del robot, basado en las técnicas de impresión 3D es muy sencillo ya que se basa en ir depositando el material de construcción por capas. Para ello comprende esencialmente un depósito destinado a recibir el material de construcción, unos medios de desplazamiento que permiten su movimiento y un cabezal de vertido configurado para ir depositando el material de vertido conforme avanza en su desplazamiento. Preferentemente comprende también un segundo depósito para almacenamiento de material aglomerante que es el material que permite el secado rápido de las capas previas.

Asimismo el robot comprende al menos una unidad de control que es la encargada de recibir una señal con las instrucciones necesarias para el desplazamiento y el vertido de material de construcción. Dicha señal se envía preferentemente desde una unidad de control en la que se ha introducido o se ha desarrollado un modelo CAD/CAM/BIM de la edificación que se quiere construir.

Un usuario puede por tanto diseñar una edificación determinada y posteriormente enviar los datos necesarios al robot para ir construyendo por capas las diferentes partes de la edificación. El robot sigue las instrucciones de desplazamiento correspondientes y realiza el vertido de material en las zonas especificadas, realizando pasadas de varias capas que permiten ir tomando altura hasta completar la edificación.

El vertido de material se realiza desde el cabezal de vertido que está conectado al depósito de material de construcción y preferentemente también al segundo depósito de material aglomerante. Dicho cabezal de vertido está dispuesto en uno de los extremos del robot de forma que cuando avanza el robot al mismo tiempo realiza el vertido el material de construcción que se deposita desde la parte trasera del robot. Así el robot no pasa por encima del material recién vertido y éste tiene tiempo para endurecerse.

Los medios de desplazamiento del robot comprenden preferentemente unas ruedas de oruga para garantizar la estabilidad del robot y su movimiento por cualquier tipo de superficie. Asimismo estos medios de desplazamiento permiten al robot formar capas con cualquier tipo de forma y geometría.

Es también un objeto de la presente invención una instalación de construcción que comprende al menos un robot como el anteriormente descrito y que comprende al menos dos tanques de almacenamiento, un tanque de almacenamiento de material de construcción y un tanque de almacenamiento de material aglomerante. Preferentemente la instalación comprende un enjambre de robots como el anteriormente descrito. El tanque de almacenamiento permite acumular una gran cantidad de material constructivo para que cuando el depósito del robot se haya vaciado el robot se desplace hasta el tanque y reposte en él. De esta forma no es necesario que el robot recorra largas distancias para llegar hasta una unidad de repostado. El tanque de almacenamiento se instala en el terreno en el que se está construyendo la edificación y comprende al menos una tubería de conexión destinada a conectarse al depósito del robot. Preferentemente junto al tanque de almacenamiento de material constructivo se dispone el segundo tanque de almacenamiento de material aglomerante.

Así pues, cuando el robot está realizando el vertido en la capa correspondiente y necesita más material se desplaza hasta la zona próxima al pie de la grúa y se conectan los depósitos a los tanques con las tuberías de conexión. Mientras el robot está recargando material de construcción y material aglomerante, otro robot puede sustituirle en el trabajo que estaba realizando.

Durante la operación de recarga de material de construcción y de material aglomerante también se puede realizar la recarga de la batería.

La instalación comprende como elemento esencial una unidad de control central a la que están vinculados los tanques de almacenamiento y los robots. Dicha unidad de control central está configurada para enviar una señal con unas instrucciones de desplazamiento y de vertido de material a la unidad de control de cada robot.

La unidad de control central es el elemento encargado de gestionar todos los movimientos de los robots cuando la instalación comprende un enjambre de robots que trabajan sincronizadamente.

De esta forma se puede construir toda una edificación con una pluralidad de robots trabajando cada uno en una zona diferente de la edificación y así se reducen muy significativamente los tiempos de finalización de la construcción.

Asimismo es la unidad de control central el elemento encargado de controlar los repostajes de cada robot gestionando las cantidades de material constructivo y aglomerante que hay en cada robot y gestionando las colas para el repostaje y recarga de la batería de los robots.

Preferentemente la instalación comprende un elevador que se desplaza verticalmente y que comprende unas primeras conexiones a las tuberías de conexión de los tanques y unas segundas conexiones configuradas para unirse a los depósitos del robot.

El sentido que tiene el elevador es permitir la conexión entre las tuberías de conexión de los tanques y los depósitos del robot a cualquier altura que esté el robot. De esta forma aunque la construcción haya ido creciendo en altura el elevador se desplaza hasta la altura necesaria gracias a unos medios de posicionamiento del elevador configurados para regular el desplazamiento vertical hasta quedar enfrentado al robot. En el elevador se encuentra una batería central que permite recargar la batería de los robots. Las segundas conexiones del elevador se colocan enfrentadas a los depósitos del robot y se conectan a ellos. Conforme se van colocando más capas el elevador se va desplazando también hacia arriba para seguir permitiendo el repostaje. Esto es así en edificios en los que la altura lo exige para permitir que el bombeo de material sea efectivo.

Preferentemente la instalación comprende también una grúa con al menos un brazo de carga y que está conectada a la unidad de control central. Este brazo de carga permite cargar objetos necesarios para la construcción o que se quieran colocar en el interior de la edificación y al mismo tiempo permite también cargar los robots para desplazarlos hasta las posiciones deseadas. Cuando los robots tienen que ir a repostar material y las capas en las que están trabajando se corresponden por ejemplo con paredes de la edificación que tienen una ventana o puerta y no son continuas, el robot no puede llegar hasta la zona de repostaje. En estos casos la grúa puede recoger los robots con el brazo de carga y llevarlo hasta dicha zona de repostaje.

Asimismo la grúa puede tener posibilidad de desplazamiento en dirección horizontal para garantizar el acceso del brazo de carga a todas las posibles posiciones de los robots.

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, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, 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 vista en perspectiva de un robot de construcción por capas en la que se observa el robot desde arriba.

Figura 2.- Muestra una vista en perspectiva de un robot de construcción por capas en la que se observa el robot desde abajo.

Figura 3.- Muestra una vista en perspectiva de la instalación de construcción trabajando en la construcción de una edificación.

Figura 4.- Muestra una vista de zoom de la figura 3 en la que se observa un robot repostando material de construcción desde el tanque de almacenamiento y material aglomerante desde el tanque de almacenamiento de aglomerante, y recargando la batería. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A continuación se describe, con ayuda de las figuras 1 a 4, un ejemplo de realización de la presente invención.

Así pues, en la figura 1 se puede apreciar una perspectiva del robot (1 ) de construcción por capas propuesto. Este robot (1 ) está configurado para depositar una capa de material tras otra hasta conformar una parte de la estructura o la estructura completa de una edificación.

En dicha figura se aprecian los elementos esenciales del robot (1 ) como un depósito (2) de almacenamiento de material constructivo. En el depósito (2) el robot (1 ) comprende suficiente material constructivo como para poder realizar las labores de vertido sin tener que depender de una conexión directa a un tanque (1 1 ) de almacenamiento. El depósito (2) comprende una boca de recarga de material de construcción (20) a través de la que se rellena el interior del depósito (2). Así pues el robot (1 ) se puede mover de forma independiente sin tener que depender de tuberías para estar recibiendo material constructivo continuamente. De esta forma se gana mucha versatilidad ya que el robot no tiene sus movimientos limitados a una cierta distancia desde un tanque de almacenamiento de material constructivo o a posiciones concretas marcadas por su unión continua a tubos con material de vertido.

Asimismo el robot (1 ) comprende un segundo depósito de almacenamiento de material aglomerante que es el material que permite el rápido secado del material constructivo de las capas previas dándole cohesión. Dicho segundo depósito comprende una boca de recarga de material aglomerante (21 ) a través de la que se rellena su interior con material aglomerante.

El robot (1 ) comprende también unos medios de desplazamiento (3) configurados para permitir el movimiento del robot sobre una superficie sobre la que va a depositar una capa de material constructivo. Preferentemente estos medios de desplazamiento (3) comprenden unas ruedas de oruga, como se aprecia claramente en la figura 2. Las ruedas de tipo oruga permiten el movimiento de los robots (1 ) sobre cualquier superficie y además permiten el desplazamiento de los robots (1 ) sobre cualquier superficie o geometría. Por ejemplo, en el caso representado en la figura 3 se aprecia un enjambre de robots (1 ) trabajando en la construcción de una edificación de los que uno de ellos está vertiendo material en una esquina de la edificación.

Otro elemento importante del robot es un cabezal de vertido (4) de material constructivo que está conectado al depósito (2) y está configurado para extrudir el material de construcción sobre la superficie sobre la que se desplaza. Preferentemente el cabezal de vertido (4) es un sistema de bombeo asociado a un robot cartesiano y está unido al cuerpo del robot como el carro de una impresora.

Otros elementos del robot (1 ) son al menos una batería (6) y al menos un servomotor (5) vinculado a los medios de desplazamiento (3).

Asimismo el robot (1 ) comprende una unidad de control (7) configurada para recibir una señal con las instrucciones de desplazamiento y de vertido de material y configurada para enviar dicha señal a los medios de desplazamiento (3) y al cabezal de vertido (4). Los medios de desplazamiento (3) comprenden al menos un servomotor, un microcontrolador y las orugas.

Preferentemente la señal con las instrucciones de desplazamiento y de vertido de material se recibe en base a un diseño previo realizado en CAD/CAM/BIM en el que se representa la edificación que se va a construir. Las instrucciones que recibe el robot (1 ) están relacionadas con los movimientos de avance que tiene que realizar y con las posiciones en las que tiene que realizar o no vertido de material de construcción. Asimismo cuando el depósito (2) se vacía el robot (1 ) tiene que desplazarse hasta las proximidades del tanque de almacenamiento de material de construcción, del tanque de almacenamiento de aglomerante para repostar y de la batería central para recargar la batería (6) del robot a través de unas pestañas de recarga de la batería (19).

En un ejemplo de realización el robot (1 ) de construcción por capas comprende adicionalmente un brazo con pinza (8) que está conectado a la unidad de control (7) y configurado para manipular objetos. Las ventajas de tener este brazo con pinza (8) son que se pueden colocar productos necesarios para las instalaciones de la vivienda, como por ejemplo las canalizaciones, permite la posibilidad de acoplarse con otro robot del enjambre, y permite la retirada de obstáculos y elementos sobrantes de las capas sobre las que se trabaja.

Para controlar el desplazamiento, el robot (1 ) comprende unos medios de posicionamiento (9) que están configurados para guiar dicho desplazamiento. Un ejemplo de medios de posicionamiento (9) son unos sensores de ultrasonidos o unas antenas con marcadores. Los medios de posicionamiento (9) pueden ser también unos sensores de infrarrojos, sensores GPS y balizas inalámbricas (beacons). Las antenas emisoras de las balizas inalámbricas están en comunicación con una unidad de control central (18).

El motivo de configurar este sistema de posicionamiento múltiple es satisfacer las necesidades y la precisión necesarias que requieren los trabajos asignados al robot (1 ), o en el caso de que éste colabore en un enjambre de robots (1 ), al conjunto de todos ellos.

Las balizas inalámbricas permiten localizar de manera efectiva el enjambre de robots dentro de la zona de construcción deseada. Como se ha descrito previamente, el robot (1 ) comprende la unidad de control (7) configurada para recibir unas instrucciones desde un dispositivo de control externo. Para ello comprende unos medios de comunicación inalámbricos (10) para recibir dichas instrucciones y enviarlas a la unidad de control (7).

Para el correcto posicionamiento de los robots (1 ) se dispone de dos sistemas de posicionamiento, uno relativo a la posición del robot (1 ) respecto al muro que se está construyendo y otro relativo a la posición del cabezal de vertido (4) respecto al robot (1 ). Combinando dichos sistemas se obtiene la posición del cabezal de vertido (4) respecto al muro,

Asimismo es también un objeto de la presente invención una instalación de construcción, como la que se muestra en la figura 3, que comprende al menos un robot (1 ) como el anteriormente descrito y que preferentemente comprende un enjambre de dichos robots (1 ). Estos robots (1 ) trabajan gobernados por una unidad de control central (18) que es parte de la instalación y que está configurada para enviar una señal con unas instrucciones de desplazamiento y de vertido de material a la unidad de control (7) de cada robot (1 ).

Es también parte de la instalación un tanque (1 1 ) de almacenamiento de material de construcción con al menos una tubería de conexión (12) configurada para permitir la salida del material de construcción. De esta forma los robots (1 ) no tienen que desplazarse de la zona de la construcción para hacer el repostaje de material de construcción.

Además para facilitar dichas operaciones de repostaje la instalación puede comprender un elevador (15) que se desplaza verticalmente y que comprende unas primeras conexiones a la tubería de conexión (12) del tanque (1 1 ) de almacenamiento de material constructivo y a la segunda tubería de conexión al tanque de almacenamiento de material aglomerante y unas segundas conexiones (16) configuradas para unirse a los depósitos del robot (1 ).

Para regular la altura hasta la que se tiene que desplazar el elevador (15) éste comprende unos medios de posicionamiento del elevador configurados para regular su desplazamiento vertical hasta una posición enfrentada con el robot (1 ) que va a repostar.

Preferentemente las segundas conexiones (16) son unos tubos retráctiles que se retraen cuando no están siendo usados y que se alargan hasta contactar con el robot (1 ) cuando se va a hacer el repostaje. De esta forma durante el desplazamiento hacia arriba o abajo del elevador las segundas conexiones (16) no entran en ningún momento en contacto con zonas de la edificación ya construidas.

Asimismo se dispone de un tubo retráctil (17) para recargar la batería de los robots. Dicho tubo retráctil (17) está dispuesto en el elevador, para poder conectarlo de forma cómoda al robot a cualquier altura que éste se encuentre. Preferentemente el tubo retráctil (17) tiene una cabeza cónica para facilitar el acoplamiento con las pestañas de recarga de batería (19) de los robots (1 ).

En la figura 4 se muestra un zoom de la figura 3 donde se aprecia la conexión entre el elevador (15) y el robot (1 ) para el repostaje.

Asimismo la instalación puede comprender como se observa en las figuras 3 y 4 una grúa (13) con al menos un brazo de carga (14). Dicha grúa (13) también está conectada a la unidad de control central (18) que coordina sus movimientos con los del enjambre de robots (1 ). Preferentemente la instalación comprende también un carril guía (15) sobre el que se desplaza la grúa (13) en dirección horizontal. Gracias a esta libertad de movimiento en el eje horizontal de la grúa y a la libertad de movimiento del brazo de carga (14) éste puede llegar a cualquier parte de la construcción para cargar objetos y cargar robots (1 ) como se ha descrito anteriormente.

En la realización de la figura 4 se muestra como el elevador (15) se puede desplazar directamente sobre la grúa (13) en dirección vertical.