Un manipulador paralelo es un sistema mecánico que utiliza varias cadenas en serie controladas por computadora para soportar una única plataforma o efector final . Quizás el manipulador paralelo más conocido esté formado por seis actuadores lineales que soportan una base móvil para dispositivos como simuladores de vuelo. Este dispositivo se llama plataforma Stewart o plataforma Gough-Stewart en reconocimiento a los ingenieros que los diseñaron y utilizaron por primera vez. [1]
También conocidos como robots paralelos , o plataformas Stewart generalizadas (en la plataforma Stewart , los actuadores están emparejados tanto en la base como en la plataforma), estos sistemas son robots articulados que utilizan mecanismos similares para el movimiento ya sea del robot sobre su base, o uno o más brazos manipuladores . Su distinción "paralela", a diferencia de un manipulador en serie , es que el efector final (o "mano") de este enlace (o "brazo") está directamente conectado a su base por un número de (generalmente tres o seis) separados. y eslabones independientes trabajando simultáneamente. No se implica ningún paralelismo geométrico .
Un manipulador paralelo está diseñado de manera que cada cadena suele ser corta, simple y, por lo tanto, puede ser rígida contra movimientos no deseados, en comparación con un manipulador en serie . Los errores en el posicionamiento de una cadena se promedian junto con los demás, en lugar de ser acumulativos. Cada actuador aún debe moverse dentro de su propio grado de libertad , como ocurre con un robot en serie; sin embargo, en el robot paralelo la flexibilidad fuera del eje de una articulación también está limitada por el efecto de las otras cadenas. Es esta rigidez de circuito cerrado la que hace que el manipulador paralelo general sea rígido en relación con sus componentes, a diferencia de la cadena en serie que se vuelve progresivamente menos rígida con más componentes.
Este refuerzo mutuo también permite una construcción simple: las cadenas de hexápodos de plataforma Stewart utilizan actuadores lineales de junta prismática entre rótulas universales de cualquier eje . Las rótulas son pasivas: simplemente se mueven libremente, sin actuadores ni frenos; su posición está limitada únicamente por las otras cadenas. Los robots Delta tienen actuadores giratorios montados en una base que mueven un brazo de paralelogramo rígido y liviano. El efector se monta entre las puntas de tres de estos brazos y, nuevamente, se puede montar con rótulas simples. La representación estática de un robot paralelo es a menudo similar a la de una armadura articulada : los eslabones y sus actuadores solo sienten tensión o compresión, sin ninguna flexión o torsión, lo que nuevamente reduce los efectos de cualquier flexibilidad a las fuerzas fuera del eje.
Una ventaja adicional del manipulador paralelo es que los actuadores pesados a menudo pueden montarse centralmente en una única plataforma de base, teniendo lugar el movimiento del brazo únicamente a través de puntales y articulaciones. Esta reducción de masa a lo largo del brazo permite una construcción del brazo más ligera, por lo tanto actuadores más ligeros y movimientos más rápidos. Esta centralización de masa también reduce el momento de inercia general del robot , lo que puede ser una ventaja para un robot móvil o andante .
Todas estas características dan como resultado manipuladores con una amplia gama de capacidad de movimiento. Como su velocidad de acción a menudo está limitada por su rigidez más que por su pura potencia, pueden actuar con rapidez, en comparación con los manipuladores en serie.
Un manipulador puede mover un objeto con hasta 6 grados de libertad (DoF), determinados por 3 coordenadas de traslación 3T y 3 coordenadas de rotación 3R para una movilidad total 3T3R . Sin embargo, cuando una tarea de manipulación requiere menos de 6 DoF, el uso de manipuladores de menor movilidad, con menos de 6 DoF, puede aportar ventajas en términos de arquitectura más simple, control más sencillo, movimiento más rápido y menor costo. [2] Por ejemplo, el robot 3 DoF Delta [3] [4] tiene una movilidad 3T más baja y ha demostrado ser muy exitoso para aplicaciones de posicionamiento traslacional rápido de recoger y colocar. El espacio de trabajo de los manipuladores de baja movilidad puede descomponerse en subespacios de "movimiento" y "restricción". Por ejemplo, 3 coordenadas de posición constituyen el subespacio de movimiento del robot Delta de 3 DoF y las 3 coordenadas de orientación están en el subespacio restringido. El subespacio de movimiento de los manipuladores de baja movilidad se puede descomponer aún más en subespacios independientes (deseados) y dependientes: que consisten en un movimiento "concomitante" o "parásito" que es un movimiento no deseado del manipulador. [5] [6] [7] Los efectos debilitantes del movimiento parásito deben mitigarse o eliminarse en el diseño exitoso de manipuladores de baja movilidad. Por ejemplo, el robot Delta no tiene movimiento parásito ya que su efector final no gira.
La mayoría de las aplicaciones de robots requieren rigidez. Los robots en serie pueden lograr esto mediante el uso de juntas giratorias de alta calidad que permiten el movimiento en un eje pero que son rígidas contra el movimiento fuera de este. Cualquier articulación que permita el movimiento también debe tener este movimiento bajo el control deliberado de un actuador. Por tanto, un movimiento que requiere varios ejes requiere varias articulaciones de este tipo. La flexibilidad o el descuido no deseado en una articulación provoca un descuido similar en el brazo, que puede verse amplificado por la distancia entre la articulación y el efector final: no hay oportunidad de reforzar el movimiento de una articulación contra otra. Su inevitable histéresis y flexibilidad fuera del eje se acumulan a lo largo de la cadena cinemática del brazo ; un manipulador en serie de precisión es un compromiso entre precisión, complejidad, masa (del manipulador y de los objetos manipulados) y coste. Por otro lado, con manipuladores paralelos, se puede obtener una alta rigidez con una pequeña masa del manipulador (en relación con la carga que se manipula). Esto permite una alta precisión y una alta velocidad de movimientos, y motiva el uso de manipuladores paralelos en simuladores de vuelo (alta velocidad con masas bastante grandes) y lentes electrostáticas o magnéticas en aceleradores de partículas (muy alta precisión en el posicionamiento de grandes masas).
Una desventaja de los manipuladores paralelos, en comparación con los manipuladores en serie, es su espacio de trabajo limitado. En cuanto a los manipuladores en serie, el espacio de trabajo está limitado por los límites geométricos y mecánicos del diseño (colisiones entre patas longitudes máximas y mínimas de las patas). El espacio de trabajo también está limitado por la existencia de singularidades , que son posiciones donde, para algunas trayectorias del movimiento, la variación de las longitudes de las piernas es infinitamente menor que la variación de la posición. Por el contrario, en una posición singular, una fuerza (como la gravedad) aplicada sobre el efector final induce restricciones infinitamente grandes en las piernas, lo que puede resultar en una especie de "explosión" del manipulador. La determinación de las posiciones singulares es difícil (para un manipulador paralelo general, este es un problema abierto). Esto implica que los espacios de trabajo de los manipuladores paralelos suelen estar limitados artificialmente a una pequeña región donde se sabe que no hay singularidad.
Otro inconveniente de los manipuladores paralelos es su comportamiento no lineal [ se necesita desambiguación ] : el comando que se necesita para obtener un movimiento lineal o circular del efector final depende dramáticamente de la ubicación en el espacio de trabajo y no varía linealmente durante el movimiento.
Las principales aplicaciones industriales de estos dispositivos son:
También se han vuelto más populares:
Los robots paralelos suelen estar más limitados en el espacio de trabajo; por ejemplo, generalmente no pueden sortear obstáculos. Los cálculos necesarios para realizar una manipulación deseada (cinemática directa) también suelen ser más difíciles y pueden conducir a múltiples soluciones.
Dos ejemplos de robots paralelos populares son la plataforma Stewart y el robot Delta .
