- Resumen
- Laboratorio de manufactura (CIM
2000) - Robots
paralelos - Diseño conceptual y
preliminar del robot paralelo propuesto - Conclusiones
- Referencias
bibliográficas
En el presente trabajo se
muestra un
avance del estudio relacionado con el análisis cinemático para el diseño
de un robot paralelo planar de tres grados de libertad del
tipo 3RPR (3 articulaciones de
Revolución, Prisma y Revolución
respectivamente) con el fin de ejecutar tareas de ensamble por
colocación en dos posiciones entre dos piezas
prismáticas y cilíndricas respectivamente en forma
automatizada y precisa para el laboratorio de
manufactura
integrada por computadora
CIM-2000 del Instituto Tecnológico de Puebla.
Después de hacer una breve descripción del sistema CIM-2000
y mencionar aspectos básicos de los robots paralelos, nos
enfocamos a la parte del diseño conceptual, para
finalmente abordar el diseño preliminar del robot paralelo
mencionado, considerando las etapas del proceso de
ensamble propuesto.
Los Sistemas de
Manufactura Integrada por Computadora (CIM), son muy empleados en
la industria de
hoy en día ya que se enfocan al desarrollo de
procesos
automatizados para la fabricación.
En dichos sistemas se incluyen elementos
robóticos y estaciones para diversos propósitos
como lo son: maquinados, inspección, transporte,
almacenamiento,
ensamble, entre otros. El ensamble manual se
clasifica con frecuencia como una operación "no
calificada", sin embargo, en el diseño de robots se
pretende obtener estabilidad y precisión, considerando que
la industria actual requiere ensambles y movimientos no solo en
una posición, siendo éste uno de los problemas que
se presentan en el laboratorio de manufactura integrada (CIM
2000) de nuestra institución en donde se desea incluir el
proceso de ensamble automatizado.
Un robot paralelo está compuesto por una cadena
cinemática cerrada, la cual consta de
cadenas seriales separadas que conectan al eslabón fijo
(plataforma fija) con el efector final (plataforma móvil),
también nombrados manipuladores de plataforma como lo
comenta L.W. Tsai [1]. Este tipo de manipulador presenta grandes
ventajas comparado con los manipuladores seriales, destacando las
siguientes: mejor estabilidad y precisión, peso ligero,
capacidad de manipular cargas relativamente grandes, altas
velocidades y aceleraciones, y baja fuerza de
actuación, siendo su principal desventaja el espacio de
trabajo reducido.
En lo que respecta a la aplicación de robots
paralelos en el área de ensamble, se han desarrollado
investigaciones recientes como la realizada por
Amirat 2001 [2] en donde presenta una célula
flexible de ensamble destinada a ejecutar tareas de ensamble
preciso, en la cual se incluye un robot paralelo de seis grados
de libertad (6 DOF) el cual actúa como la fuerza
controladora de la muñeca de un robot cartesiano. Morris
2001 [3] investiga a cerca del uso de un manipulador paralelo de
6 DOF que incorpora aspectos de la plataforma de Stewart
(Plataforma de seis grados de libertad, la cual fue de los
primeros análisis en robots paralelos) con el fin de
realizar ensambles mecánicos que normalmente se realizan a
mano, como lo son componentes seleccionados de transmisión
automotriz. R.C. Michelini 2001 [4] ha trabajado en el
diseño de un |manipulador paralelo de cuatro grados de
libertad 4 DOF para ensambles que se caracterizan por la rapidez,
precisión y seguridad dentro
del rango de desempeño esperado. Ahora bien, estudios
relacionados con robots paralelos planares de tres grados de
libertad 3 DOF se han venido realizando en la universidad de
Ohio por R.L. Williams II [5] quien se enfoca en el
diseño, construcción y control de este
tipo de manipuladores, con el fin de evaluar el control del mismo
utilizando elementos neumáticos y proponiendo su
diseño para diversas tareas entre ellas ensamble de
piezas. Cabe mencionar que actualmente Williams [6],
también realiza análisis cinemáticos para
diversos manipuladores planares.
El presente artículo muestra el diseño y
análisis mecánico de un manipulador paralelo planar
de tres grados de libertad del tipo 3 RPR el cual formará
parte de un sistema de ensamble mecánico automatizado por
colocación en dos posiciones angulares entre piezas
prismáticas y cilíndricas en el laboratorio de
manufactura integrada CIM 2000 del Instituto Tecnológico
de Puebla.
2. LABORATORIO DE
MANUFACTURA (CIM 2000).
El laboratorio de manufactura del Instituto
Tecnológico de Puebla, cuenta con un sistema de
manufactura integrada por computadora representado por sus siglas
CIM-2000.
El CIM-2000 es un sistema diseñado para la
enseñanza del concepto CIM
(Manufactura integrada por computadora) mediante el uso de
diferentes equipos con diversos principios de
funcionamiento (neumáticos, hidráulicos,
eléctricos) controlados por computadoras y
cuya distribución es de tipo celular. En la
figura 1 a), se observan las características del sistema,
el cual consta de las siguientes estaciones: Control, neumática, hidráulica de retiro, de
procesos (Recubrimientos), banda transportadora, sistema de
manufactura flexible FMS el cual consta de: Robot Mitsubishi,
fresadora CNC, torno CNC,
sistema de inspección.
Las piezas son colocadas sobre plantillas que a su vez
son colocadas sobre vagones que se encuentran en la banda
transportadora. El sistema actualmente manipula dos diferentes
tipos de materias primas cuyo material puede ser Aluminio o
Nylamid (figura 1b), realizando procesos de maquinado y
recubrimiento.
Figura 1. a) Laboratorio de manufactura
integrada CIM-2000,
b) Ejemplo de piezas
maquinadas.
Definiciones.Robot *: Es un dispositivo
multifuncional y reprogramable diseñado para mover y
manipular materiales,
partes o herramientas a
través de movimientos programados variables para
la realización de una variedad de tareas
especificadas.
Un robot paralelo está compuesto por una cadena
cinemática
cerrada, la cual consta de cadenas seriales separadas que
conectan al eslabón fijo (plataforma fija) con el efector
final o eslabón móvil (plataforma
móvil).
* Los robots también son llamados manipuladores,
y ambos términos son manejados en este trabajo.
Aplicaciones.Como se ha mencionado, este tipo de
manipulador presenta grandes ventajas comparado con los
manipuladores seriales, como son mejor estabilidad y
precisión, peso ligero, capacidad de manipular cargas
relativamente grandes, altas velocidades y aceleraciones, y baja
fuerza de actuación.
El diseño de manipuladores paralelos se remonta a
varias décadas atrás por ejemplo en 1962, cuando
Gough y Witehall diseñaron un sistema paralelo para ser
usado en una máquina de pruebas
universales. Stewart en 1965 diseñó un manipulador
de plataforma para ser usado en simuladores de vuelo. Hunt en
1983 realizó un estudio de la estructura
cinemática de los manipuladores paralelos. Desde entonces
se han venido desarrollando numerosos estudios por diversos
investigadores, entre los más recientes destacan J.P.
Merlet y L.W. Tsai.
La figura 2 a), muestra el primer simulador de vuelo con
una estructura de seis grados de libertad, mientras que la figura
2 b), muestra también un robot paralelo del mismo
número de grados de libertad que es empleado para el
ensamble de piezas.
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Figura 2. Ejemplos de robots paralelos
basados en la plataforma de Stewart. a) Simulador de vuelo, b)
Robot ensamblador.
Cabe señalar que existen otras configuraciones
como la "delta" con tres grados de libertad inventada por Clavel
en 1988 y es empleada en robots como el mostrado en la figura
3.
Los robots paralelos se han venido empleando para
distintas tareas como en simuladores de vuelo, máquinas
caminadoras, dispositivos de máquinas–herramientas,
micro manipulación a alta frecuencia (telescopios) y
recientemente para tareas de ensamble.
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Figura 3. Robots paralelos de cuatro grados de libertad,
basados en la plataforma Delta.
Una limitante importante que poseen estos tipos de
manipuladores es su reducido espacio de trabajo y es precisamente
ésta una de las tendencias en las investigaciones futuras
de estos robots.
Clasificación.Los manipuladores paralelos
son clasificados como: planares, esféricos y
espaciales, de acuerdo con sus características de
movimiento. En
la figura 4 se puede distinguir esta
clasificación.
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Figura 4. Clasificación de Robots
paralelos de acuerdo a su movimiento; a) planar, b)
esférico, c) espacial.
También se pueden clasificar de acuerdo a sus
características estructurales como: simétricos y
asimétricos.
Un manipulador paralelo es llamado simétrico si
cumple las siguientes condiciones:
- El número de eslabonamientos debe ser igual al
número de grados de libertad de la plataforma
móvil. - El tipo y número de articulaciones en todos
los eslabonamientos deben estar arreglados en un modelo
idéntico. - El número y localización de las
articulaciones actuadoras deben ser los mismos.
Cuando las condiciones antes mencionadas no llegan a
cumplirse, entonces el manipulador es llamado
asimétrico. Podemos observar entonces, que en los
robots paralelos simétricos el número de
eslabonamientos, m, es igual al número de
grados de libertad F, el cual es igual al
número total de cadenas cinemáticas,
L. Esto puede expresarse como m = F =
L.
Ahora bien, los robots paralelos planares
pueden ser de dos o tres grados de libertad. En lo que respecta a
una plataforma planar general de tres eslabonamientos con tres
grados de libertad, ésta consiste en una plataforma de
movimiento conectada a una base fija por tres cadenas
cinemáticas simples. Usando articulaciones
prismáticas y de revolución como pares
cinemáticos, se obtienen siete posibles arreglos en
manipuladores paralelos planares, como se muestra en la figura
5.
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Figura 5.- Siete cadenas seriales
básicas que pueden utilizarse para formar manipulador
paralelos planares.
4. DISEÑO
CONCEPTUAL Y PRELIMINAR DEL ROBOT PARALELO
PROPUESTO
Descripción del proceso de ensamble
automatizado en posiciones angulares
El sistema y proceso de ensamble automatizado en
posiciones angulares entre piezas prismáticas y
cilíndricas que se desea incluir en el laboratorio
constará de los siguientes diseños: Proceso de
ensamble angular, robot paralelo, dispositivo de carga y descarga
de piezas (incluyendo el ensamble) y un sistema de
sujeción de pieza prismática.
Esta parte es muy importante ya que es necesario
señalar que la presente investigación a realizar, aborda
únicamente la parte del diseño mecánico del
robot paralelo, tomando en cuenta que éste posee en su
efector final a la pieza cilíndrica, con el fin de
realizar el ensamble una vez que el prisma previamente barrenado
ha sido colocado en el elemento de sujeción (En la figura
8 se representa el ensamble propuesto).
Geometría del robot paralelo
3-RPR
El manipulador propuesto en este diseño es
simétrico y compuesto por tres eslabonamientos
idénticos los cuales conectan la base fija con el
triángulo equilátero del efector final (Gripper)
ubicado en uno de los bordes del mismo triángulo como lo
muestra la figura 6.
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Figura 6.- Manipulador paralelo planar de
tres grados de libertad 3 RPR
Cada eslabonamiento es del tipo RPR, con dos
articulaciones de revolución pasivas y una
articulación prismática activa entre ellas. Cada
articulación prismática será controlada por
actuadores lineales eléctricos de tornillo.
Análisis cinemático
A través del análisis cinemático
inverso se evaluará la secuencia para ensamble a
través de los movimientos del robot 3-RPR. Es decir una
vez conocida la geometría del movimiento y el volumen de
trabajo del robot, es necesario proponer posiciones alcanzables
por el efector final para realizar los ensambles con el fin de
conocer los valores
angulares y de posición de las articulaciones de
relvolución R y prismáticas P. El problema
cinemático inverso consiste en que una vez dadas las
posiciones de la plataforma móvil en un punto 
, es necesario calcular
las longitudes de las articulaciones prismáticas 
y angulares
θ, como se muestra en la figura 7.
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Figura 7.- Diagrama
cinemático del robot paralelo planar 3-RPR; a)
Posición, b) Desplazamientos longitudinales y
angulares.
Se ha propuesto la secuencia de movimientos de las
articulaciones mostrada en la figura 8, con el fin de obtener las
posiciones adecuadas de los eslabones para generar ensambles
angulares en dos posiciones; a) en forma vertical, b) angular a
45°.
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Figura 8.- Secuencia de movimientos de
las articulaciones del robot, para ensamblar piezas en dos
posiciones; a) vertical, b) angular a 45°.
Se han presentado estudios preliminares del
diseño conceptual y análisis cinemático de
un robot paralelo planar de tres grados de libertad del tipo
3-RPR el cual formará parte de un sistema de ensamble por
colocación en dos posiciones angulares entre dos piezas.
De igual manera, se han discutido solo consideraciones
básicas y generales, ya que la parte de análisis
cinemático, está en proceso de realización
en este momento. Dicho análisis, junto con la secuencia de
los movimientos de ensamble denotada por los movimientos
angulares y lineales de las articulaciones proporcionará
las posiciones adecuadas de los eslabones para obtener ensambles
en diferentes posiciones. Cabe señalar que en el
análisis cinemático inverso, para este caso, se ha
tomado en cuenta que la pieza cilíndrica ya se encuentra
sujeta en el efector final para realizar sus movimientos de
ensamble.
Es importante mencionar que el diseño del
manipulador paralelo propuesto puede ser implementado en un
futuro en alguna aplicación industrial, siempre y cuando
se consideren las variables y características del entorno
de aplicación. Con esta investigación se pretende
establecer valores de
entrada y salida para la futura etapa de diseño y control
del manipulador mencionado, habilitando así, una nueva
área de investigación en el campo de la robótica para el Laboratorio de Manufactura
Integrada por Computadora del ITP, considerando que los robots
paralelos comienzan a ser muy utilizados, siendo Francia,
Japón,
USA, y Canadá los países que aportan más
conocimientos al respecto.
[1] Tsai Lung-Wen, "Robot Analysis, The mechanics of
serial and parallel manipulators", John Wiley & Sons inc,
U.S.A. 1999.
[2] Amirat Yacine, Francois C., "A flexible assembly
cell integrating a parallel manipulator for accurate automatic
assembly tasks". pp 308-313. France 2002.
[3]. Morris M. Daniel, "Experiments in mechanical
assembly using a novel parallel manipulator". Dept of Electrical
Engineering & computer science. Case western reserve
university USA 2001.
[4] Michelini R.C., Molfino R.M., "The Conceptual Design
of a Parallel–Kinematics Manipulator for High Speed
Assembly Tasks". Ancona Italy 2001.
[5] Williams II R.L. "Planar parallel 3-RPR manipulator"
proceedings of the sixth conference on applied Mechanisms and
robotics Cincinati. Ohio University 2002.
[6] Williams II R.L. "Inverse kinematics for planar
parallel manipulators" Ohio University 1999.
[7] Angeles Jorge, "Fundamentals of robotic mechanical
systems, Theory, Methods and Algorithms", Springer-Verlag NY
U.S.A. 1997.
[8] Manual DEGEM® SYSTEMS. Entrenamiento del
CIM-2000 Mechatronics; Manual de aprendizaje de la
estación de control central; 1a edición. Inter. Training Systems Ltd.
1998.
Ing. Benjamín Cortés
Tapia
Estudiante de la MC. Ing. Mecánica, Manufactura. ITP
MC. Sergio Javier Torres Méndez
Catedrático de la MC. Ing. Mecánica. ITP.
Instituto Tecnológico de Puebla
División de Estudios de Posgrado e
Investigación
Av. Tecnológico # 420, Col.
Maravillas,
CP.72220