Un manipulador paralelo es un sistema mecánico que utiliza varias cadenas en serie controladas por ordenador para soportar una única plataforma o efector final . Quizás el manipulador paralelo más conocido esté formado por seis actuadores lineales que sostienen una base móvil para dispositivos como los simuladores de vuelo. Este dispositivo se denomina 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 entre sí tanto en la base como en la plataforma), estos sistemas son robots articulados que utilizan mecanismos similares para el movimiento del robot sobre su base o de 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 conectado directamente a su base por una serie de enlaces separados e independientes (generalmente tres o seis) que funcionan simultáneamente. No se implica ningún paralelismo geométrico .
Un manipulador paralelo está diseñado de modo que cada cadena sea generalmente corta, simple y, por lo tanto, pueda 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 de las demás, en lugar de ser acumulativos. Cada actuador debe seguir moviéndose dentro de su propio grado de libertad , como en el caso de 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 bucle cerrado la que hace que el manipulador paralelo en 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 sencilla: las cadenas de hexápodos de plataforma Stewart utilizan actuadores lineales de unión prismática entre rótulas universales de cualquier eje . Las rótulas son pasivas: simplemente libres de moverse, sin actuadores ni frenos; su posición está limitada únicamente por las otras cadenas. Los robots delta tienen actuadores rotatorios montados en la base que mueven un brazo ligero y rígido en forma de paralelogramo. El efector está montado entre las puntas de tres de estos brazos y, nuevamente, puede montarse con rótulas simples. La representación estática de un robot paralelo suele ser similar a la de una armadura con articulaciones de pasador : 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.
Otra ventaja del manipulador paralelo es que los pesados actuadores pueden montarse a menudo centralmente sobre una única plataforma base, y el movimiento del brazo se realiza únicamente mediante puntales y articulaciones. Esta reducción de masa a lo largo del brazo permite una construcción más ligera del mismo, lo que permite disponer de actuadores más ligeros y movimientos más rápidos. Esta centralización de la masa también reduce el momento de inercia general del robot , lo que puede ser una ventaja para un robot móvil o caminante .
Todas estas características dan como resultado manipuladores con una amplia gama de capacidades de movimiento. Como su velocidad de acción a menudo está limitada por su rigidez en lugar de por su 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 de rotación 3R para una movilidad 3T3R completa . 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 traer ventajas en términos de arquitectura más simple, control más fácil, movimiento más rápido y menor costo. [2] Por ejemplo, el robot Delta de 3 DoF [3] [4] tiene una movilidad 3T menor y ha demostrado ser muy exitoso para aplicaciones rápidas de posicionamiento traslacional de recogida y colocación. El espacio de trabajo de los manipuladores de menor movilidad se puede descomponer 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 de restricción. El subespacio de movimiento de los manipuladores de menor movilidad se puede descomponer en subespacios independientes (deseado) y dependientes: que consisten en movimiento "concomitante" o "parásito", que es el 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 menor movilidad. Por ejemplo, el robot Delta no tiene movimiento parásito ya que su efector final no gira.
La mayoría de las aplicaciones de los robots requieren rigidez. Los robots en serie pueden lograrla utilizando juntas rotativas de alta calidad que permiten el movimiento en un eje pero son rígidas frente al movimiento fuera de este. Cualquier junta que permita el movimiento también debe tener este movimiento bajo control deliberado por un actuador. Un movimiento que requiere varios ejes requiere, por lo tanto, varias juntas de este tipo. La flexibilidad o la falta de firmeza no deseadas en una junta provocan una falta de firmeza similar en el brazo, que puede verse amplificada por la distancia entre la junta y el efector final: no hay posibilidad de apuntalar el movimiento de una junta 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 masa pequeña del manipulador (en relación con la carga que se manipula). Esto permite una alta precisión y 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).
Un inconveniente de los manipuladores paralelos, en comparación con los manipuladores en serie, es su espacio de trabajo limitado. En el caso de los manipuladores en serie, el espacio de trabajo está limitado por los límites geométricos y mecánicos del diseño (colisiones entre las patas, longitudes máximas y mínimas de las patas). El espacio de trabajo también está limitado por la existencia de singularidades , que son posiciones en las que, para algunas trayectorias del movimiento, la variación de las longitudes de las patas 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 patas, lo que puede dar lugar a 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 están, por lo general, limitados artificialmente a una pequeña región donde se sabe que no hay singularidad.
Otro inconveniente de los manipuladores paralelos es su comportamiento no lineal : el comando necesario 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 tener un espacio de trabajo más limitado; por ejemplo, no suelen poder esquivar obstáculos. Los cálculos necesarios para realizar una manipulación deseada (cinemática directa) también suelen ser más difíciles y pueden dar lugar a múltiples soluciones.
Dos ejemplos de robots paralelos populares son la plataforma Stewart y el robot Delta .
