Los manipuladores en serie son los robots industriales más comunes y están diseñados como una serie de enlaces conectados por juntas accionadas por motor que se extienden desde una base hasta un efector final. A menudo tienen una estructura de brazo antropomórfica que se describe como un "hombro", un "codo" y una "muñeca".
Los robots en serie suelen tener seis articulaciones, porque se requieren al menos seis grados de libertad para colocar un objeto manipulado en una posición y orientación arbitrarias en el espacio de trabajo del robot.
Una aplicación popular para los robots en serie en la industria actual es el robot de ensamblaje de recogida y colocación , llamado robot SCARA , que tiene cuatro grados de libertad.
En su forma más general, un robot en serie consta de varios eslabones rígidos conectados a articulaciones. Las consideraciones de simplicidad en la fabricación y el control han llevado a robots con únicamente juntas de revolución o prismáticas y ejes de juntas ortogonales, paralelos y/o intersecantes (en lugar de ejes de juntas colocados arbitrariamente). Donald L. Pieper obtuvo el primer resultado prácticamente relevante en este contexto, [1] denominado estructura cinemática 321 : la cinemática inversa de manipuladores en serie con seis articulaciones de revolución y con tres articulaciones consecutivas que se cruzan, se puede resolver en forma cerrada, es decir, analíticamente.
Este resultado tuvo una tremenda influencia en el diseño de robots industriales.
La principal ventaja de un manipulador en serie es un gran espacio de trabajo con respecto al tamaño del robot y al espacio que ocupa. Las principales desventajas de estos robots son:
La posición y orientación del efector final de un robot se derivan de las posiciones de las articulaciones mediante un modelo geométrico del brazo del robot. Para los robots en serie, el mapeo desde las posiciones de las articulaciones hasta la postura del efector final es fácil, el mapeo inverso es más difícil. Por tanto, la mayoría de los robots industriales tienen diseños especiales que reducen la complejidad del mapeo inverso.
El espacio de trabajo alcanzable del efector final de un robot es la variedad de marcos alcanzables.
El espacio de trabajo diestro consta de los puntos del espacio de trabajo alcanzable donde el robot puede generar velocidades que abarcan todo el espacio tangente en ese punto, es decir, puede trasladar el objeto manipulado con tres grados de libertad y rotar el objeto con tres grados de rotación. libertad.
Las relaciones entre el espacio articular y las coordenadas del espacio cartesiano del objeto sostenido por el robot son, en general, de valores múltiples: el brazo en serie puede alcanzar la misma postura de diferentes maneras, cada una con un conjunto diferente de coordenadas articulares. Por lo tanto, el espacio de trabajo accesible del robot se divide en configuraciones (también llamadas modos de ensamblaje), en las que las relaciones cinemáticas son localmente uno a uno.
Una singularidad es una configuración de un manipulador en serie en la que los parámetros de la articulación ya no definen completamente la posición y orientación del efector final. Las singularidades ocurren en configuraciones cuando los ejes articulares se alinean de una manera que reduce la capacidad del brazo para posicionar el efector final. Por ejemplo, cuando un manipulador en serie está completamente extendido, se encuentra en lo que se conoce como singularidad de límite. [2]
En una singularidad, el efector final pierde uno o más grados de libertad de torsión (instantáneamente, el efector final no puede moverse en estas direcciones).
Los robots en serie con menos de seis articulaciones independientes son siempre singulares en el sentido de que nunca pueden abarcar un espacio de torsión de seis dimensiones. A esto se le suele llamar singularidad arquitectónica. Una singularidad no suele ser un punto aislado en el espacio de trabajo del robot, sino una subvariedad.
Un manipulador redundante tiene más de seis grados de libertad, lo que significa que tiene parámetros de articulación adicionales [3] que permiten que la configuración del robot cambie mientras mantiene su efector final en una posición y orientación fijas.
Un manipulador redundante típico tiene siete articulaciones, por ejemplo tres en el hombro, una en el codo y tres en la muñeca. Este manipulador puede mover su codo alrededor de un círculo mientras mantiene una posición y orientación específicas de su efector final.
Un robot serpiente tiene más de seis grados de libertad y a menudo se le llama hiperredundante.