- 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