Los manipuladores en serie son los robots industriales más comunes y están diseñados como una serie de eslabones conectados por articulaciones 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 compuesta por 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 de los robots en serie en la industria actual es el robot de ensamblaje de selección y colocación , llamado robot SCARA , que tiene cuatro grados de libertad.
En su forma más general, un robot en serie consta de una serie de enlaces rígidos conectados a articulaciones. Las consideraciones de simplicidad en la fabricación y el control han llevado a robots con solo articulaciones giratorias o prismáticas y ejes de articulación ortogonales, paralelos y/o que se cruzan (en lugar de ejes de articulación colocados arbitrariamente). Donald L. Pieper derivó el primer resultado prácticamente relevante en este contexto, [1] conocido como estructura cinemática 321 : La cinemática inversa de manipuladores en serie con seis articulaciones giratorias 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 el espacio que ocupa en el suelo. Las principales desventajas de estos robots son:
La posición y la orientación del efector final de un robot se derivan de las posiciones de las articulaciones mediante un modelo geométrico del brazo robótico. En el caso de los robots en serie, la asignación de las posiciones de las articulaciones a la posición del efector final es sencilla, pero la asignación inversa es más difícil. Por lo tanto, la mayoría de los robots industriales tienen diseños especiales que reducen la complejidad de la asignación inversa.
El espacio de trabajo alcanzable del efector final de un robot es la variedad de marcos alcanzables.
El espacio de trabajo diestro consiste en los puntos del espacio de trabajo alcanzable donde el robot puede generar velocidades que abarcan el espacio tangente completo en ese punto, es decir, puede trasladar el objeto manipulado con tres grados de libertad y rotar el objeto con tres grados de libertad de rotación.
Las relaciones entre el espacio de articulación y las coordenadas del espacio cartesiano del objeto sostenido por el robot son en general de múltiples valores: el brazo serial puede alcanzar la misma pose de diferentes maneras, cada una con un conjunto diferente de coordenadas de articulación. Por lo tanto, el espacio de trabajo alcanzable 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 las articulaciones ya no definen por completo la posición y la orientación del efector final. Las singularidades se producen en configuraciones en las que los ejes de las articulaciones 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 límite. [2]
En una singularidad, el efector final pierde uno o más grados de libertad de giro (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 giro de seis dimensiones. Esto suele denominarse 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 articulares adicionales [3] que permiten cambiar la configuración del robot 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 el codo en un círculo mientras mantiene una posición y orientación específicas de su efector final.
Un robot serpiente tiene mucho más de seis grados de libertad y a menudo se le denomina hiperredundante.