Manipulador paralelo

Un manipulador paralelo es un sistema mecánico que utiliza varias cadenas seriales 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 denomina plataforma Stewart o plataforma Gough-Stewart en reconocimiento a los ingenieros que la 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 del robot sobre su base o de uno o más brazos manipuladores . Su característica distintiva de "paralelo", en contraposición a un manipulador serial , es que el efector final (o "mano") de este mecanismo (o "brazo") está conectado directamente a su base mediante varios (generalmente tres o seis) mecanismos independientes que funcionan simultáneamente. No implica paralelismo geométrico .

Un manipulador paralelo se diseña de manera que cada cadena suele ser corta y simple, lo que le permite ser rígido frente a movimientos no deseados, a diferencia de un manipulador serial . Los errores en el posicionamiento de una cadena se promedian con los de las demás, en lugar de acumularse. Cada actuador debe moverse dentro de su propio grado de libertad , como en un robot serial; 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 confiere al manipulador paralelo su rigidez global en relación con sus componentes, a diferencia de la cadena serial, que se vuelve progresivamente menos rígida a medida que aumenta el número de componentes.

Este refuerzo mutuo también permite una construcción sencilla: las cadenas de hexápodos de plataforma Stewart utilizan actuadores lineales de articulación 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 rotativos montados en la base que mueven un brazo ligero y rígido en forma de paralelogramo. El efector se monta entre los extremos de tres de estos brazos y, de nuevo, puede montarse con rótulas simples. La representación estática de un robot paralelo suele ser similar a la de una celosía articulada : los eslabones y sus actuadores solo experimentan tensión o compresión, sin flexión ni torsión, lo que reduce los efectos de cualquier flexibilidad a fuerzas fuera del eje.

Otra ventaja del manipulador paralelo es que los actuadores pesados ​​suelen montarse centralmente en 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, lo que se traduce en actuadores más ligeros y movimientos más rápidos. Esta centralización de la masa también reduce el momento de inercia total del robot , lo que puede resultar ventajoso para un robot móvil o caminante .

Todas estas características dan como resultado manipuladores con una amplia capacidad de movimiento. Dado que su velocidad de acción suele estar limitada por su rigidez más que por su potencia bruta, pueden ser de acción rápida en comparación con los manipuladores seriales.

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 completa de 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 brindar ventajas en términos de una arquitectura más simple, un control más fácil, un movimiento más rápido y un 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 de posicionamiento traslacional de recogida y colocación rápida. El espacio de trabajo de los manipuladores de menor movilidad puede descomponerse en subespacios de "movimiento" y "restricción". Por ejemplo, las 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 puede descomponerse aún más en subespacios independientes (deseados) y dependientes: que consisten en movimiento «concomitante» o «parasitario», que es un movimiento no deseado del manipulador. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}   Los efectos debilitantes del movimiento parasitario deben mitigarse o eliminarse en el diseño exitoso de manipuladores de menor movilidad. Por ejemplo, el robot Delta no tiene movimiento parasitario ya que su efector final no rota.

La mayoría de las aplicaciones robóticas requieren rigidez. Los robots seriales pueden lograrla mediante el uso de articulaciones rotativas de alta calidad que permiten el movimiento en un eje, pero son rígidas frente al movimiento fuera de este. Cualquier articulación que permita el movimiento debe tener este movimiento bajo el control preciso de un actuador. Un movimiento que requiera varios ejes, por lo tanto, requiere varias articulaciones de este tipo. La flexibilidad o holgura no deseada en una articulación provoca una holgura similar en el brazo, que puede verse amplificada por la distancia entre la articulación y el efector final: no hay oportunidad de contrarrestar el movimiento de una articulación con el de otra. Su inevitable histéresis y flexibilidad fuera del eje se acumulan a lo largo de la cadena cinemática del brazo ; un manipulador serial de precisión es un compromiso entre precisión, complejidad, masa (del manipulador y de los objetos manipulados) y costo. Por otro lado, con los 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 velocidad de movimiento, 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 seriales, es su espacio de trabajo limitado. En el caso de los manipuladores seriales, el espacio de trabajo está limitado por las restricciones geométricas y mecánicas del diseño (colisiones entre las patas, longitudes máxima y mínima de las mismas). El espacio de trabajo también está limitado por la existencia de singularidades , que son posiciones donde, para ciertas trayectorias del movimiento, la variación de la longitud 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 al efector final induce restricciones infinitamente grandes en las patas, lo que puede provocar 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 artificialmente limitados a una pequeña región donde se sabe que no hay singularidades.

Otro inconveniente de los manipuladores paralelos es su comportamiento no lineal : la orden necesaria para obtener un movimiento lineal o circular del efector final depende drásticamente de la ubicación en el espacio de trabajo y no varía linealmente durante el movimiento.

Las principales aplicaciones industriales de estos dispositivos son:

• simuladores de vuelo
• simuladores de automóviles
• en los procesos de trabajo
• Alineación de fibra óptica / fotónica ^{[ 10 ]}

También se han vuelto más populares:

• en posicionamiento de alta velocidad y alta precisión con espacio de trabajo limitado, como en el ensamblaje de placas de circuito impreso.
• como micromanipuladores montados en el efector final de manipuladores seriales más grandes pero más lentos.
• como fresadoras de alta velocidad/alta precisión

Los robots paralelos suelen tener un espacio de trabajo más limitado; por ejemplo, generalmente no pueden sortear obstáculos. Los cálculos necesarios para realizar la manipulación deseada (cinemática directa) también suelen ser más complejos y pueden dar lugar a múltiples soluciones.

Dos ejemplos de robots paralelos populares son la plataforma Stewart y el robot Delta .

• Cinemática de robots
• manipuladores paralelos cartesianos

• 

  Gogu, Grigore (2008). Síntesis estructural de robots paralelos, Parte 1: Metodología . Springer. ISBN 978-1-4020-5102-9.
• Gogu, Grigore (2009). Síntesis estructural de robots paralelos, parte 2: topologías traslacionales con dos y tres grados de libertad . Springer. ISBN 978-1-4020-9793-5.
• Merlet, JP (2008). Robots paralelos, 2.ª edición . Springer. ISBN 978-1-4020-4132-7.
• Kong, X.; Gosselin, C. (2007). Síntesis de tipos de mecanismos paralelos . Springer. ISBN 978-3-540-71989-2.

• Gallardo-Alvarado, J. (2016). Análisis cinemático de manipuladores paralelos mediante la teoría algebraica de tornillos . Springer. ISBN 978-3-319-31124-1.

• Centro de Información sobre Mecanismos Paralelos
• ¿Qué es un robot paralelo?
• Referencias sobre robots paralelos