8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007 APLICACIONES ACTUALES DE LOS ROBOTS PARALELOS Isidro Zabalza*, Javier Ros
Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad Pública de Navarra 31006 Pamplona, Navarra, España. *e-mail:
[email protected]
RESUMEN
Al principio de este artículo se presenta una relación de los primeros robots paralelos presentados, patentados o construidos hasta el año 1984. A continuación, en el apartado de evolución, se exponen las estructuras de los robots paralelos que se consideran más significativas entre las que han ido apareciendo a partir de 1985, desde los planos con tres grados de libertad hasta los espaciales con seis grados de libertad, pasando por los espaciales de tres, cuatro y cinco grados de libertad. Como resultado de las consultas realizadas a investigadores expertos en el tema, a empresas fabricantes de robots, así como a bibliografía especializada en el tema, se expone el convencimiento de los autores, de que la mayoría de estructuras de robots paralelos ideados no se han llegado construir y si se han construido ha sido como máximo uno o dos ejemplares. Se citan los tres tipos de robots paralelos de los que se tiene constancia que se fabrican en cantidad apreciable así como las principales aplicaciones de los mismos. La motivación de los autores en la realización de este trabajo es el conseguir una mayor difusión del empleo de los robots paralelos. Por esta razón los autores agradecerían todas las críticas a las más que probables lagunas de conocimiento, así como las aportaciones sobre tipos de robots paralelos que se estén fabricando en una cantidad apreciable y no hayan sido recogidos en este artículo. PALABRAS CLAVE: Robots paralelos, manipuladores paralelos.
INTRODUCCIÓN
Teniendo en cuenta su estructura, los robots se pueden clasificar en: Robots tipo serie y robots o manipuladores paralelos. Los robots tipo serie están formados por una cadena cinemática abierta, con una estructura similar al brazo humano (antropomórficos), Fig. 1(a). En cambio, los robots paralelos están formados por dos plataformas, una fija y otra móvil, unidas por varias cadenas cinemáticas en paralelo, y por ello, formando cadenas cinemáticas cerradas, Fig. 1(b).
(a)
(b)
Fig. 1: (a) Robot tipo serie. (b) Robot o manipulador tipo paralelo Los robots tipo serie se vienen utilizando desde hace varias décadas en múltiples aplicaciones, siendo raro el proceso industrial automatizado en el que no se utilicen. Las características de los robots paralelos frente a los robots tipo serie son: Como inconveniente, tienen menor espacio de trabajo. Como ventajas, la relación masa del robot frente a carga a soportar es mucho menor por lo que admiten mayores aceleraciones durante su movimiento, y por ello, mayores velocidades, también tienen mayor rigidez y precisión ya que soportan la carga por medio de varios brazos en paralelo. Otra ventaja de los manipuladores paralelos es que los motores de los actuadores están instalados en la plataforma fija, y por ello, son fijos. En cambio en los robots tipo serie los motores de los actuadores están montados en las articulaciones de los diferentes eslabones que componen el robot, lo que hace que la mayor parte de los motores tengan ciertos desplazamientos aumentando las masas móviles y con ello las fuerzas de inercia y el riesgo de averías. A pesar de las ventajas enunciadas, la utilización de los robots paralelos es mucho menor que la de los robots tipo serie, quizás debido a su más tardío desarrollo. En este artículo, con el fin de fomentar la aplicación de robots paralelos, se presenta el resultado de una investigación de los diferentes tipos de robots paralelos y sus aplicaciones actuales. ANTECEDENTES
Según I.A. Bonev [1] el orden cronológico en que fueron apareciendo los robots paralelos es el siguiente:
Fig. 2: Plataforma de movimiento espacial patentada por J.E. Gwinnett
-
El primer robot paralelo del que se tiene conocimiento es una plataforma sobre la que estaban colocados los asientos de un teatro con el fin de introducir un movimiento que diese una apariencia más real al espectáculo. Esta plataforma (Amusement Device) fue patentada en 1931 por J.E. Gwinnett [2]. Por la información existente, esta plataforma no llegó a construirse.
-
En 1942 W.L.V. Pollard [3] patentó un robot paralelo (Position-Controlling Apparatus) para pintar automóviles. Fig. 3. Al parecer, este robot tampoco llegó a construirse.
Fig. 3: Robot paralelo patentado por W.L.V. Pollard -
En 1947 V.E. Gough ideó un robot paralelo con seis actuadores lineales formando una estructura de octaedro, Fig. 4. Este robot con seis grados de libertad fue utilizado en la empresa Dunlop para el ensayo de neumáticos de aviación. Esta estructura de robot paralelo presentada en un congreso de FISITA en 1962 [4] es la que ha tenido mayor éxito. En la actualidad, injustamente, muchos autores le denominan plataforma de Stewart cuando se le debería conocer como plataforma de Gough.
(a)
(b)
Fig. 4: Robot paralelo ideado por V.E. Gough. (a) Primer prototipo. (b) Configuración actual.
-
V.E. Gough en la presentación de su invento, citaba la existencia de unas mesas (MAST, Multi-Axis Simulation Table) anteriores a su invento. Estas mesas están accionadas por seis actuadores lineales, tres verticales y tres horizontales, Fig. 5.
Fig. 5: MAST, Multi-Axis Simulation Table. -
En 1965 D. Stewart [5] presentó una plataforma con seis grados de libertad para ser utilizada como simulador de vuelo, Fig 6.
Fig. 6: Plataforma de Stewart. -
En 1967 K.L. Cappel [6] patentó un simulador de vuelo utilizando la misma estructura que la plataforma de Gough, Fig 7.
Fig. 7: Simulador de vuelo patentado por K.L. Cappel.
En realidad todos los autores enumerados en este apartado se pueden considerar pioneros ya que desarrollaron sus inventos sin conocimiento previo de los anteriores. Como pionero también se puede considerar el manipulador paralelo 6-RUS con seis grados de libertad accionado por actuadotes giratorios presentado por K.H. Hunt [7] en 1983, Fig. 8.
Fig. 8: Manipulador paralelo 6-RUS propuesto por K.H. Hunt. EVOLUCIÓN
A partir de 1970 la necesidad de conseguir un entrenamiento más económico para los pilotos de aviación que la realización de vuelos reales, hizo que se desarrollasen gran cantidad de simuladores de vuelo. La mayoría de estos simuladores estaban basados en la estructura de Gough. Teniendo en cuenta la recopilación de publicaciones más relevantes sobre robots paralelos realizada por J.P. Merlet [8] hasta 1969 tiene recogidas 11 publicaciones. En la década de 1970 figuran 13 publicaciones. En la década de 1980 el número aumenta hasta 125. En la década de 1990 recoge 879 publicaciones. Y entre el año 2000 y la actualidad 1023 publicaciones. Como se observa, el interés sobre los robots paralelos ha ido en aumento pudiéndose considerar el año 1985 como el año en el que se produce el inicio de un interés que ha ido creciendo de forma exponencial. Sin querer ser exhaustivo, se podían citar los siguientes tipos robots presentados o analizados en las publicaciones recogidas por J.P. Merlet: Manipuladores planos con tres grados de libertad accionados por medio de actuadores lineales o giratorios, Fig. 9.
Fig. 9: Diferentes tipos de manipuladores planos con actuadores prismáticos y giratorios.
-
Manipuladores espaciales con tres grados de libertad accionados por medio de actuadores giratorios. Aquí se pueden citar: El robot Delta propuesto por R. Clavel [9], Fig. 10(a). El Ojo de Águila propuesto por C. Gosselin [10], Fig. 10(b). Y el Capaman propuesto por M. Ceccarelli [11] Fig. 10(c).
(a)
(c)
(b)
Fig. 10: Robots de tres grados de libertad con actuadores giratorios, (a) Delta, (b) Ojo de Águila, (c) Capaman. -
Manipuladores espaciales con tres grados de libertad accionados por medio de actuadores lineales. Aquí se pueden citar: El robot Linapod propuesto por P.B. Zobel y otros [12], similar al Delta pero con actuadores lineales. El Orthoglide propuesto por P. Wenger y D. Chablat [13], Fig. 11(a). El Tricept patentado por K.E. Neumann [14], Fig. 11(b). Y el 3-UPU propuesto por L.W. Tsai [15], Fig. 11(c).
(a)
(b)
(c)
Fig. 11: Robots de tres grados de libertad con actuadores lineales, (a) Orthoglide, (b) Tricept, (c) 3-UPU. -
-
En los robots paralelos de 4 y 5 grados de libertad las cadenas de unión de las plataformas no pueden tener la misma estructura, lo que añade más complejidad control del robot. Aquí se pueden citar: El Delta 4 que es el robot Delta de R. Clavel al que se le añade un giro de la pinza final. Y el Tricep de K.E. Neumann al que se le añaden dos grados de libertad a partir de la plataforma móvil. En cuanto a robots paralelos de 6 grados de libertad, aparte de los mencionados anteriormente de V.E. Gough, D. Stewart y K.H. Hunt se pueden citar los siguientes: El Active Wrist presentado por J.P. Merlet y C. Gosselin [16], Fig. 12(a). El Hexaglide presentado por M. Honegger y otros [17], Fig. 12(b). Y el Tri-Scott presentado por I. Zabalza y otros [18], Fig. 12(c).
(a)
(b)
(c)
Fig. 12: Robots de seis grados de libertad, (a) Active Wrist, (b) Hexaglide, (c) Tri-Scott. En este apartado se han recogido solamente unos pocos tipos de robots, los que a juicio de los autores, son más característicos por su estructura. Para mayor información se pueden visitar las siguientes URLs: - [http://www-sop.inria.fr/coprin/equipe/merlet/merlet.html] - [http://www.parallemic.org/] ACTUALIDAD
Por la información recogida por los autores a través de los asistentes al Workshop: Fundamental issues and future research directions for parallel mechanisms and manipulators, celebrado en Québec en 2002 y a los Congresos de ARK (Advances in robot Kinematics) celebrados en Caldas de Malavella en 2002 y en Sestri Levante en 2004, de empresas fabricantes de Robots y del libro publicado por J.P. Merlet [19], se supone que la mayoría de estructuras de robots paralelos presentados por publicaciones en revistas y congresos no han pasado de ser un estudio teórico. De otra gran cantidad de estructuras solamente se ha construido algún prototipo. Y los que han tenido un cierto éxito siendo comercializados, son: El robot Delta presentado por R. Clavel. El robot Tricept patentado por K.N. Neumann. Y la Plataforma de Gough. De los robots Delta y Delta-4, según conversación con el Dr. M. Bouri de la Escuela Politécnica Federal de Lausana, hay alrededor de 4000 unidades funcionando en todo el mundo. Del robot Tricept, según la opinión del Dr. J.L. Olazagoitia de la empresa PKM Tricept, hay del orden de 300 unidades funcionando. Y de plataformas de Goug, la previsión es más complicada ya que existen muchos fabricantes, pero se estima que puede haber funcionando en el mundo del orden de 20000 unidades. APLICACIONES
Los robots Delta y Delta-4, debido a la poca masa de sus brazos que permiten la realización de hasta 5 maniobras por segundo se utilizan en la manipulación de objetos y debido a su sencillez que permite su limpieza por medio de un chorro de agua se utilizan principalmente para la manipulación de productos alimenticios. El robot Tricept, debido a su estructura en forma de tetraedro que le confiere una gran rigidez, se utiliza como máquina herramienta para trabajos de precisión media, del orden de 0.05 milímetros. De la plataforma de Gough existen infinidad de tamaños, desde ejemplares de algunos milímetros hasta otros de varios metros. Algunas aplicaciones de este tipo de robot son: Orientación de antenas, telescopios y paneles solares. Aislamiento y producción de vibraciones. En cirugía para posicionamiento de microscópios e incluso de pacientes. Simuladores de vuelo para aviones y helicópteros así como simuladores de conducción de vehículos, carretillas elevadoras, etc. En la industria para ensamblaje de componentes, para posicionamiento de piezas y utillajes y como máquina herramienta para precisiones medias, del orden de 0.05 milímetros. CONCLUSIONES
En este artículo se ha presentado una breve historia de los primeros robots paralelos. A continuación se han expuesto las estructuras de robots paralelos que se consideran más significativas, desde los planos con tres grados de libertad hasta los espaciales con seis grados de libertad.
Como resultado de las consultas realizadas a investigadores expertos en el tema así como a empresas fabricantes de robots, se ha llegado al convencimiento de que la mayoría de estructuras de robots paralelos ideados no se han llegado construir y si se han construido ha sido como máximo uno o dos ejemplares. Los tres tipos de robots que se tiene constancia de que se fabrican en un número apreciable son: El Delta, el Tricept y la plataforma de Gough. A juicio de los autores de este artículo, los robots paralelos son más rígidos y tienen mayor precisión de posicionamiento que los de tipo serie, pero su precisión, por el momento, es algo inferior a la de las máquinas herramientas clásicas. REFERENCIAS
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19.
I.A. Bonev, The true origins of parallel robots, [http://www.parallemic.org/Reviews/Review007.html], 2003 J.E. Gwinnett, Amusement device, patente Nº US1789680, 1931. W.L.V. Pollard, Position-controlling aparatus, patente Nº US2286571, 1942. V.E. Gough, S.G. Whitehall, Universal tire test machine, Proceedings of the FISITA Ninth International Technical Congress, pp. 117-137, 1962. D. Stewart, A platform with 6 degrees of freedom, Proceedings of the Institution of mechanical engineers, Vol. 180, Pt. 1, Nº 15, pp. 371-386, 1965-66. K.L. Cappel, Motion simulator, patente Nº US3295224, 1967 K.H. Hunt, Structural kinematics of in-parallel-actuated robot-arms, Journal of Mechanisms, Transmissions, and Automation in Design, Vol. 105, Nº 4, pp. 705-712, Asme, 1983. J.P. Merlet, [http://www-sop.inria.fr/coprin/equipe/merlet/merlet.html] R. Clavel, Delta, a fast robot with parallel geometry, Proceedings of the 18 th International Symposium on Industrial Robots, pp. 91-100, Lausanne, 1988. C. Gosselin, Kinematics analysis optimization and programming of parallel robot manipulators, Ph.D. Thesis, McGill University, Montreal, 1988. M. Ceccarelli, A new 3 d.o.f. spatial parallel mechanism, Mechanism and Machine Theory, Vol. 32, Nº 8, pp. 896-902, 1997. P.B. Zobel, P. Di Stefano, T. Raparelli, The design of a 3 dof parallel robot with pneumatic drives, 27 th ISIR, pp. 707-710, Milan, 1996. P.Wenger, D. Chablat, Kinematic analysis a of new parallel machine-tool: the Orthoglide, ARK, pp. 305-314, Piran, 2000. K.E. Neumann, Robot, patente Nº US 4732525, 1988. L.W. Tsai, Kinematic of a three-dof `latform with three extensible limbs, ARK, pp. 401-410, PortarozBernadin, 1996. J.P. Merlet y C. Gosselin, Nouvelle architecture pour un manipulateur parallèle à 6 degrés de liberté, Mechanism and Machine Theory, Vol. 16, Nº 1, pp. 77-90, 1991. M. Honegger, M. Codourey, E. Burdet, Adaptative control of the hexaglide, a 6 dof parallel manipulator, IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 21-28, Albuquerque, 1987. I. Zabalza, J. Ros, J.J. Gil, J.M. Pintor, J.M. Jimenez, Tri-Scott. A new kinematic Structure for a 6-dof decoupled parallel manipulator, Workshop on fundamental issues and future research directions for parallel mechanisms and manipulators, pp.12-15, Québec, 2002. J.P. Merlet, Parallel Robots, Second Edition, Springer, 2006.
