Manipulador reconfigurable basado en un mecanismo paralelo tipo hexápodo

Abstract

RESUMEN: En este trabajo se presenta un novedoso manipulador reconfigurable basado en un mecanismo paralelo tipo hexápodo. El mecanismo tipo hexápodo, llamado modelo base, está integrado por dos sub-manipuladores paralelos que comparten una plataforma móvil en forma de prisma triangular. Además las bases fijas de ambos sub-manipuladores están ubicadas en dos planos paralelos separados por una distancia conocida. Estas características proveen al manipulador propuesto de algunas ventajas cinemáticas importantes, por ejemplo, un modelo cinemático directo de posición más fácil de resolver que el de hexápodos convencionales, y la posibilidad de evitar algunas configuraciones singulares típicas en este tipo de mecanismos, especialmente las singularidades de cinemática directa, las cuales están asociadas a problemas graves de movilidad durante la operación de un robot. Por otro lado, el hecho de que el robot sea reconfigurable provee otro tipo de ventajas; en un principio incrementa el espacio de trabajo del modelo base y, más importante, permite optimizar su desempeño cinetostático dentro de su espacio de trabajo útil. La reconfiguración del manipulador se logra al añadir un eslabón activo, llamado eslabón de reconfiguración, a las tres cadenas cinemáticas de uno de los sub-manipuladores. La cinemática del robot reconfigurable propuesto es analizada a detalle; en lo que respecta al análisis de posición, una solución en forma semi-cerrada para el modelo directo es obtenida tomando ventaja de la geometría no plana de la plataforma móvil, mientras que el análisis inverso fue desarrollado, en primera instancia, sin considerar el problema de redundancia cinemática del robot. Por otro lado, las ecuaciones de entrada-salida de velocidad y aceleración del robot fueron obtenidas a través de teoría de tornillos. Se identificaron las singularidades de cinemática directa, inversa y combinadas, y además se validó numéricamente el modelo cinemático propuesto con la ayuda del software ADAMS©. ABSTRACT: This work presents a novel reconfigurable manipulator based on a hexapod-type parallel mechanism. The hexapod-type mechanism, called base model, is composed of two parallel submanipulators, which share a common moving platform with a triangular prism shape. Furthermore the fixed bases of both sub-manipulators are located in two parallel planes separated by a known distance. These features provide to the proposed manipulator some important kinematic advantages, for example, a forward displacement model easier to solve than others for conventional hexapod, and the possibility to avoid some typical singular configurations presented in this kind of mechanisms, especially the direct kinematics singularities, which are associated with serious mobility problems during the operation of a robot. On the other hand, the fact that the robot is reconfigurable provides other advantages; initially the workspace of the base model is increased and, more important, the kinetostatic performance is optimized within its useful work space. The reconfiguration is achieved by adding an active link, called reconfiguration link, to the three kinematic chains of one of the sub-manipulators. The kinematics of the proposed robot is analyzed in detail; regarding the displacement analysis, a semi-closed form solution is obtained for the forward model of the robot taking advantage of the non-planar geometry of the moving platform, while the inverse analysis was developed, provisionally, without considering the kinematic redundancy problem of the robot. On the other hand, the input-output equation of velocity and acceleration of the robot were obtained using screw theory. The direct, inverse and combined singularities were identified, and furthermore the proposed kinematic model was validated with the aid of the software ADAMS©. The kinematic redundancy problem is addressed through an approach based on the manipulability index of the jacobian matrix. A predictable behavior for the manipulability of the robot could be observed for a particular pose given different angular configurations of the reconfiguration link. This predictable behavior for the manipulability points to the existence of a global maximum that can be easily identified. From the above, it is possible to find a unique angular positioning of the reconfiguration link, which optimizes the kinetostatic performance of the robot in the useful work space.