¿Qué es un robot paralelo? | Cinemática | 4 tipos importantes

Robot paralelo

Crédito de la imagen:  Humanrobo está licenciado bajo CC BY-SA 3.0

El tema de discusión: Robot paralelo y sus características

¿Qué es un robot paralelo? | Robótica paralela

Un paralelo robot es un dispositivo mecánico que admite una sola base o efector final mediante el uso de múltiples cadenas seriales controladas por computadora. El manipulador paralelo más conocido consta de seis actuadores lineales que sostienen una base móvil para aplicaciones como simuladores de vuelo. En otros nombres, se llama plataforma Stewart, también conocida como plataforma Gough-Stewart, en honor a los ingenieros que la diseñaron y utilizaron primero.

Robot paralelo
Robot paralelo: representación abstracta; Credito de imagen: PantoineHexápodo0aCC BY-SA 3.0

Los actuadores están agrupados tanto en la base como en la plataforma Stewart. Hay robots articulados con estructuras idénticas para empujar el robot o uno o más brazos manipuladores. El efector final de esta disposición está conectado directamente a su base mediante una variedad de enlaces (generalmente tres o seis) distintos e independientes que operan simultáneamente en lugar de un manipulador en serie. No hay consecuencia del paralelismo geométrico.

Diseño de robot paralelo

Un robot paralelo generalmente tiene las siguientes características de diseño:

  1. Cada cadena suele ser corta y sencilla, lo que le permite ser rígida contra movimientos innecesarios. En lugar de ser continuos, los errores en la ubicación de una cadena se promedian con los demás.
  2. Cada actuador debe poder viajar dentro de su propio rango de movimiento. Su movimiento está contenido dentro de sus grados individuales de libertad.
  3. La consecuencia de las otras cadenas limita la estabilidad fuera del eje de una articulación en el robot paralelo. El manipulador paralelo definitivo es rígido en contraste con sus componentes debido a esta rigidez de circuito cerrado.
  4. La representación estática de un robot paralelo es a menudo idéntica a la de un truss articulado con pasadores: las conexiones y los actuadores solo detectan tensión o compresión, sin flexión ni torsión, lo que minimiza las consecuencias de cualquier flexibilidad a las fuerzas fuera del eje.
  5. Los actuadores pesados ​​se colocan con frecuencia en el centro sobre una plataforma de base única, con el movimiento del brazo controlado completamente por puntales y juntas. Debido a la disminución de masa alrededor de la extremidad, el componente se puede construir más delgado, lo que resulta en actuadores más ligeros y movimientos más suaves. Por tanto, el momento medio de inercia del robot se reduce debido a la centralización de la masa.

Robots en serie y en paralelo | Similitudes y diferencias

El robot paralelo puede obtener una alta rigidez incluso con una pequeña masa del manipulador en relación con la cantidad de carga manipulada. Esto da ventaja a los robots paralelos sobre los robots en serie porque estos últimos están expuestos a una cantidad indeseable de flexibilidad o descuido en una articulación, lo que provoca un descuido similar en el brazo. El espacio entre la articulación y el efector final puede exacerbar esto, ya que no hay forma de reforzar el movimiento de una articulación en contraste con el otro.

El espacio de trabajo confinado es evidente en el caso de los manipuladores en serie, sujetos a las limitaciones geométricas y mecánicas del diseño, lo que provoca colisiones entre las longitudes máxima y mínima de las patas. La existencia de unicidad, por tanto, limita el espacio de trabajo. Las singularidades son puntos donde la diferencia en la longitud de las piernas es exponencialmente menor que la variación en la dirección para otras trayectorias de movimiento.

En comparación, en un solo lugar, una fuerza (como la gravedad) que actúa sobre el efector final crea restricciones infinitamente grandes en las piernas, lo que posiblemente resulte en la explosión del manipulador. Esto significa que los espacios de trabajo de los manipuladores concurrentes suelen estar confinados artificialmente a un área específica donde no se conoce ninguna singularidad.

El comportamiento no lineal es otra desventaja de los robots paralelos sobre los manipuladores de cadena cinemática en serie. El comando utilizado para lograr un movimiento lineal o circular del efector final depende en gran medida de la posición del espacio de trabajo y no cambia linealmente durante el ejercicio.

Estas características se combinan para producir manipuladores con un amplio rango de movimiento. A diferencia de los manipuladores en serie, pueden actuar rápidamente porque su rigidez limita su velocidad de acción en lugar de la fuerza bruta.

Stewart Platform y Delta Robot son dos robots paralelos de uso común en la industria.

Plataforma Stewart

Una plataforma Stewart es un manipulador paralelo con 6 actuadores prismáticos, típicamente gatos hidráulicos conectados en pares a 3 ubicaciones en la placa base y cruzados a 3 puntos en la placa superior. Se utilizan juntas universales para conectar los 12 puntos.

Las herramientas montadas en la placa superior pueden viajar en los seis grados de libertad disponibles para un cuerpo suspendido libremente: tres movimientos lineales (lateral, longitudinal y vertical), así como tres rotaciones (cabeceo, balanceo y guiñada).

Robot paralelo: plataforma Stewart; Dominio Público

Los actuadores hidráulicos lineales se utilizan ampliamente en aplicaciones industriales debido a su enfoque de forma cerrada de cinemática inversa única y sencilla, así como a su alta resistencia y aceleración. estos se utilizan a menudo para la creación de prototipos y con fines robóticos económicos. Robert Eisele ha demostrado que existe una solución particular de forma cerrada para la cinemática inversa del actuador giratorio.

Estos sistemas se aplicaron en simulador de vuelo, tecnologías de máquinas herramienta, aplicaciones de grúas, tecnología marina, modelado de tsunamis, operaciones de rescate aire-mar, toro mecánico, alineación de antena parabólica, el telescopio hexápodo, robots y otros.

Robot paralelo Delta

Un robot delta es un robot paralelo con tres brazos que están unidos en la base por juntas universales. Las principales características de diseño son el uso de paralelogramo en los brazos, que preserva el posicionamiento y la alineación del efector final, por lo que limita el movimiento de la plataforma final únicamente a la traslación pura (no es posible ningún movimiento de rotación).

Todos los actuadores se colocan en la base del robot, que se coloca sobre el espacio de trabajo. Tres brazos articulados centrales se extienden desde el suelo. Una pequeña base triangular conecta los extremos de estos cañones. Las bridas de entrada moverán la plataforma triangular en una de tres direcciones: X, Y o Z. Se pueden utilizar actuadores lineales o rotativos para la actuación.

Robot paralelo: Robot Delta de dibujo de retrato; Credito de imagen: Andy DingleyRobot delta incompleto que dibuja retratosCC BY-SA 3.0

Los brazos deben estar hechos de material plástico ligero ya que todos los actuadores están situados en la base. Como resultado, las partes giratorias del robot Delta tienen muy poca inercia. Esto permite velocidades y aceleraciones vertiginosas. La rigidez del robot aumenta conectando todos sus brazos al efector final, pero su volumen de trabajo se reduce.

Hay muchas versiones diferentes del robot paralelo Delta que se han desarrollado a lo largo del tiempo:

  1. Reymond Clavel produjo una versión de 4 grados de libertad: 3 traslaciones y 1 rotacional y Los 4th la pierna se estira desde la base hasta el centro de la plataforma triangular, lo que hace que el efector final gire alrededor del eje vertical.
  2. Fanuc ha diseñado un robot Delta con 6 grados de libertad con una cinemática en serie con 3 grados de libertad en movimiento de rotación que se encuentra en el efector final.
  3. Adept construyó un robot Delta con cuatro grados de libertad y un efector final de cuatro paralelogramos que está conectado directamente a su base. Carece de una cuarta pata que corre a lo largo del centro del efector final.
  4. Asyril SA construyó el robot Pocket Delta, que está diseñado para sistemas de alimentación de componentes versátiles y otras aplicaciones de alta velocidad y alta precisión.
  5. Delta Direct Drive tiene 3 grados de libertad en los que el motor está conectado directamente a los brazos. Esto produce aceleraciones muy elevadas que oscilan entre 30 y 100 g.
  6. Delta Cube fue creado en una configuración monolítica de juntas de flexión-bisagras por el Laboratorio de la Universidad EPFL LSRO. Este robot está diseñado para aplicaciones que requieren una precisión extrema.

Delta Parallel Robot encuentra sus aplicaciones en impresoras 3D con un diseño delta lineal, una característica novedosa. El negocio del embalaje, así como las industrias médica y farmacéutica, también encuentran útil el robot paralelo Delta porque se benefician de su alta velocidad. También se utiliza en medicina debido a su rigidez. Otros usos requieren el ensamblaje de piezas electrónicas en una sala limpia con alta precisión.

3 Robot paralelo plano RRR

La siguiente imagen corresponde a un robot paralelo de 3 RRR:

Crédito de la imagen: Puerta de la investigación

Robot paralelo de 5 barras

La siguiente imagen corresponde a un robot paralelo de 5 barras:

Crédito de la imagen: Robot paraleloDexTARCC BY-SA 3.0

Cinemática de robots paralelos

Cinemática de la plataforma móvil

La plataforma Stewart es la opción más popular entre los manipuladores de robots paralelos para uso industrial. Debido a su implementación en arquitecturas de máquina herramienta de 6 grados de libertad, el mecanismo de la plataforma Stewart ha recibido mucha cobertura. A diferencia de las arquitecturas tradicionales de máquinas herramienta, las excelentes características mecánicas del mecanismo, como una mayor rigidez, una relación resistencia-peso y una maniobrabilidad más excelente, han inspirado dicha aplicación. Tratemos de entender el cinemática de un robot paralelo a través de la plataforma Stewart.

La plataforma Stewart se compone de una plataforma de carga útil y seis actuadores lineales o puntales. Los otros extremos de los puntales se fijan a la base. A 3o libertad conjunta y un 2o junta de libertad, o junta de libertad de 2-3 grados, une uno de los puntales a la base y al piso. La plataforma tiene seis grados de libertad, con tres grados de libertad de traslación y tres de rotación, debido a la extensión y retracción lineal de los seis actuadores.

Robot paralelo: cuadros de coordenadas; Credito de imagen: Puerta de la investigación

La matriz jacobiana inversa y sus derivadas de tiempo se determinan usando expresiones de forma cerrada en el análisis cinemático. Los efectos de las distintas disposiciones de las juntas de los extremos de los puntales se estudian mediante un modelado preciso de la cinemática y la dinámica del mecanismo.

Para reflejar la cinemática y la dinámica de un cuerpo rígido, los ángulos de Euler se utilizan comúnmente. Usaremos una serie de ángulos de Euler (φ, θ, ψ) para calcular la dirección de un cuerpo rígido después de las consecuentes cadenas de rotación:

  1. La rotación de φ alrededor del eje Z 'del sistema de coordenadas móviles.
  2. La rotación de θ alrededor del eje x 'del sistema de coordenadas móviles.
  3. La rotación de ψ alrededor del eje z ”del sistema de coordenadas móviles.
Robot paralelo: ángulos de Euler; Credito de imagen: Puerta de la investigación

W es el marco de coordenadas del mundo y P se define como el vector de posición x = (X, Y, Z)T, que se adjunta a la plataforma móvil en el punto de referencia po.

q es un vector de coordenadas generalizado con seis variables para definir la posición y orientación de la plataforma Stewart, dada como:

q = (X, Y, Z, \ phi, \ theta, \ psi) ^ {T}

Y la coordenada del espacio articular se define como

l=(l_{1},l_{2},l_{3},l_{4},l_{5},l_{6})^{T}

wRp es la orientación del marco P con respecto a W por una matriz de rotación, wRp = (r1,r2,r3), donde r1,r2,r3 son vectores unitarios de 3 × 1 con respecto a P y W. El marco X'-Y'-Z 'es un sistema de coordenadas no rotacional que interpreta con el cuerpo rígido. El marco xyz es un sistema de coordenadas del cuerpo que gira y se traslada con respecto al cuerpo rígido. El mapeo de este último en el sistema de coordenadas anterior se desarrolla a través de una matriz de rotación de 3 × 3 que involucra wRp y φ, θ, ψ.

^ {w} R_ {p} = \ begin {bmatrix} c \ psi c \ phi -c \ theta s \ phi s \ psi & -s \ psi c \ phi -c \ theta s \ phi c \ psi & s \ theta s \ phi \\ c \ psi c \ phi + c \ theta s \ phi s \ psi & -s \ psi c \ phi + c \ theta s \ phi c \ psi & -s \ theta c \ phi \ \ s \ psi s \ theta & c \ psi s \ theta & c \ theta \ end {bmatrix}

Donde cys denotan coseno y seno, respectivamente.

La velocidad angular se expresa como ω = (ωx, ωy, ωz)T y α = (αx, uny, unz)T es la aceleración angular con respecto a W. Por lo tanto, al resolver la primera y la segunda derivada en el tiempo de los ángulos de Euler nos da,

\ omega = \ begin {bmatrix} \ omega _ {x} \\ \ omega _ {y} \\ \ omega _ {z} \ end {bmatrix} = \ begin {bmatrix} 0 & c \ phi & s \ phi c \ theta \\ 0 & s \ phi & -c \ phi s \ theta \\ 1 & 0 & c \ theta \ end {bmatrix}. \ begin {bmatrix} \ dot {\ phi} \\ \ dot {\ theta} \\ \ dot {\ psi} \ end {bmatrix}

Y también debes

\ alpha = \ begin {bmatrix} \ alpha _ {x} \\ \ alpha _ {y} \\ \ alpha _ {z} \ end {bmatrix} = \ begin {bmatrix} 0 & c \ phi & s \ phi s \ theta \\ 0 & s \ phi & -c \ phi s \ theta \\ 1 & 0 & c \ theta \ end {bmatrix}. \ begin {bmatrix} \ ddot {\ phi} \\ \ ddot {\ theta} \\ \ ddot {\ psi} \ end {bmatrix} + \ begin {bmatrix} 0 & \ dot {\ phi} s \ phi & \ dot {\ phi} c \ phi s \ theta + \ dot {\ theta} s \ phi c \ theta \\ 0 & \ dot {\ phi} c \ phi & \ dot {\ phi} s \ phi s \ theta - \ dot {\ theta} c \ phi c \ theta \\ 0 & 0 & - \ dot {\ theta} s \ theta \ end {bmatrix}. \ begin {bmatrix} \ dot {\ phi} \\ \ dot {\ theta} \\ \ dot {\ psi} \ end {bmatrix}

Cinemática inversa de robot paralelo

El problema de cinemática inversa de la plataforma Stewart implica calcular los desplazamientos de las seis conexiones y sus derivadas en el tiempo para una pose cartesiana dada de la plataforma móvil, que tiene variables como tres desplazamientos posicionales y tres desplazamientos angulares de Euler y sus derivadas en el tiempo.

ai es el i-ésimo punto de unión en P con respecto a W, dado como:

a_ {i} = x + ^ {w} R_ {p}. ^ {p} a_ {i}

Entonces el vector Li o el i-ésimo enlace se obtiene como:

L_ {i} = a_ {i} - b_ {i}

Donde bi es el punto de unión base.

Por lo tanto, la longitud del enlace li del i-ésimo enlace se determina como:

l_ {i} = \ sqrt {L_ {i}. L_ {i}}

El vector unitario a lo largo del eje de la junta prismática del vínculo i se calcula de la siguiente manera

n_ {i} = L_ {i} / l_ {i}

¿Para qué se utilizan los robots paralelos? | Aplicaciones de robots paralelos

Parallel Robot encuentra muchas aplicaciones en la industria, y el manipulador de robot Parallel convencional tiene usos populares en estos dispositivos:

  1. Simuladores de vuelo
  2. Simulaciones de automóviles en el lugar de trabajo
  3. orientación de fibra óptica / fotónica
  4. Micromanipuladores montados en efectores finales de manipuladores en serie más grandes pero más lentos.
  5. Fresadoras de alta velocidad / alta precisión a alta velocidad
  6. Colocación de alta precisión con un espacio de trabajo mínimo, como en el montaje de PCB

Los robots paralelos tienen un espacio de trabajo mínimo, ya que no pueden atravesar barreras. Los cálculos utilizados para realizar la manipulación deseada (cinemática directa) suelen ser más complejos. Pueden dar como resultado varias soluciones, lo que hace que este problema esté más allá del alcance de este artículo.

Robots en serie vs paralelo | ¿Son los robots paralelos más precisos que los robots en serie?

  • Se dice que los robots paralelos son intrínsecamente más confiables que los robots en serie porque sus errores se promedian en lugar de aplicarse de forma acumulativa.
  • Los errores de entrada son menos sensibles en los robots en paralelo que en los robots en serie. Sin embargo, el alcance de esta analogía es demasiado estrecho para sacar conclusiones generales.

Además, es casi imposible hacer una distinción significativa entre otros pares de robots en serie y en paralelo. Como resultado, no existe una solución clara para el argumento de la dominación.

Sobre Esha Chakraborty

Tengo experiencia en Ingeniería Aeroespacial, actualmente trabajando en la aplicación de la Robótica en la Defensa y la Industria de las Ciencias Espaciales. Soy un aprendiz continuo y mi pasión por las artes creativas me mantiene inclinado hacia el diseño de conceptos novedosos de ingeniería.
Con los robots sustituyendo casi todas las acciones humanas en el futuro, me gusta llevar a mis lectores los aspectos fundamentales del tema de una manera fácil pero informativa. También me gusta mantenerme actualizado con los avances en la industria aeroespacial simultáneamente.

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