Robot Manipulator Types | Robotic Systems

Summary

La presentación explica diferentes tipos de manipuladores robóticos utilizados en aplicaciones industriales. Se destacan sus estructuras cinemáticas abiertas y cerradas, y se compara su flexibilidad y utilidad frente a procesos de fabricación automatizados tradicionales. Se describen robots antropomórficos, cartesianos, cilíndricos y esféricas, así como robots paralelos y redundantes. Finalmente, se mencionan los robots colaborativos con sensores de fuerza para interacciones seguras con humanos.

Takeaways

• 🤖 Los manipuladores robóticos son estructuras mecánicas compuestas de enlaces y articulaciones con un efector terminal que pueden ser controlados.
• 🔄 Los robots pueden tener hasta seis grados de libertad, correspondientes a las posiciones x, y, z y las tres orientaciones.
• 🔄 La flexibilidad de los robots los hace adecuados para adaptarse a diversas situaciones y resolver problemas industriales.
• ⚙️ Existen dos tipos de estructuras cinemáticas: abiertas (cadenas seriales) y cerradas (cadenas paralelas).
• 🔗 La conectividad de un enlace, excluyendo la base, determina si un robot es serial o paralelo; seriales tienen conectividad máxima de 2 y paralelos de 3 o más.
• 🏭 Los robots paralelos ofrecen una mejor distribución de carga, mayor velocidad y rigidez, aunque su cinemática es más compleja y su espacio de trabajo más reducido.
• 👷 Los robots antropomórficos, también conocidos como brazos robóticos, son estructuras de cadena serial que se asemejan al brazo humano.
• 🔩 El robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) es utilizado para inserción y ensamblado de componentes, con cuatro grados de libertad y dos articulaciones paralelas.
• 📏 Los robots cartesianos, formados por tres articulaciones prismáticas, controlan hasta tres grados de libertad, afectando solo la posición del efector terminal.
• 🔄 Los robots paralelos cerrados, como los robots delta, tienen una cadena cinemática cerrada y no acumulan errores de posición como los manipuladores seriales.
• 🤝 Los robots colaborativos, o cobots, incluyen sensores de fuerza y acelerómetros para interactuar de manera segura con humanos y aprender tareas a través de demostraciones.

Q & A

¿Qué es un manipulador robótico y cuáles son sus componentes principales?

Un manipulador robótico es una estructura mecánica compuesta de enlaces y articulaciones con un efector terminal, que puede ser controlado para realizar una amplia variedad de operaciones de manipulación.

¿Cuál es el número máximo de grados de libertad para un manipulador robótico?

El número máximo de grados de libertad para un manipulador robótico es seis, correspondientes a las posiciones x, y, z y las tres orientaciones.

¿Qué ventaja ofrecen los robots manipuladores en comparación con los procesos de manufactura automatizados tradicionales?

Los robots manipuladores son flexibles y pueden adaptarse a muchas situaciones, lo que les permite resolver una amplia gama de problemas industriales.

¿Qué diferencia entre una cadena cinemática abierta y una cerrada?

Una cadena cinemática abierta, también conocida como cadena serial, es una serie de enlaces y articulaciones unidos en serie. Mientras que una cadena cinemática cerrada, o paralela, tiene una configuración topológica diferente que implica una conexión diferente entre los enlaces.

¿Cómo se determina si un robot es serial o paralelo según su conectividad?

Si un enlace tiene una conectividad de grado de 3 o más, se considera un robot paralelo. Si la conectividad máxima es de dos, se considera un robot serial.

¿Cuáles son las ventajas de los robots paralelos en comparación con los robots seriales?

Los robots paralelos generalmente permiten una mejor distribución de la carga, alcanzan velocidades y aceleraciones más altas, tienen mayor rigidez y precisión, aunque su cinemática es más compleja y su espacio de trabajo es generalmente más pequeño.

¿Qué es la conectividad de grado de un enlace y cómo se calcula?

La conectividad de grado de un enlace se define por el número de enlaces a los que está conectado a través de una articulación. Se calcula excluyendo la base y el efector terminal.

¿Qué es un robot antropomórfico y cómo se asemeja a un brazo humano?

Un robot antropomórfico, también conocido como brazo robótico, tiene una estructura de cadena serial abierta y se asemeja al brazo humano con una cintura, un hombro y un codo, controlando la posición de un muñón y las orientaciones de la herramienta.

¿Qué es un robot cartesiano y cuál es su principal ventaja?

Un robot cartesiano está formado por tres articulaciones prismáticas en una cadena cinemática abierta. Su principal ventaja es que su cinemática inversa es sencilla y directa.

¿Qué son los robots paralelos de plataforma Stewart y cuáles son sus aplicaciones comunes?

Los robots paralelos de plataforma Stewart tienen seis actuadores prismáticos que mueven los enlaces con articulaciones esféricas y se encuentran comúnmente en simuladores de vuelo o conducción.

¿Qué es un robot colaborativo y cómo interactúa con humanos de manera segura?

Un robot colaborativo es similar a los robots clásicos pero incluye sensores de fuerza y torque, y mecanismos armónicos y codificadores que le permiten detectar fuerzas externas. Esto les permite ser complacientes y adaptarse en su esfuerzo para realizar tareas de manera segura con humanos.

Outlines

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🤖 Introducción a los Manipuladores Roboticos

Este primer párrafo presenta una introducción a los diferentes tipos de manipuladores robóticos utilizados en aplicaciones industriales. El objetivo es conocer los distintos tipos de robots, comprender sus usos en aplicaciones industriales y entender las diferencias entre ellos, incluyendo conceptos como cadenas abiertas y cerradas y la distinción entre estructuras seriales y paralelas. Se explica que un manipulador robótico es una estructura mecánica compuesta de enlaces y articulaciones con un efector terminal, y que su número máximo de grados de libertad es seis, correspondientes a las posiciones XYZ y las tres orientaciones. Se menciona la flexibilidad de los robots en comparación con procesos de fabricación automatizados tradicionales y se introduce la idea de la conectividad de grados para diferenciar entre robots seriales y paralelos.

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🔧 Tipos de Robots y sus Ventajas

El segundo párrafo se centra en describir diferentes tipos de robots y sus características. Se habla de robots antropomórficos, que tienen una estructura similar al brazo humano y son ampliamente utilizados en aplicaciones industriales. Se menciona el robot SCARA, utilizado para inserción y ensamblaje de componentes, con cuatro grados de libertad y dos articulaciones paralelas. También se discuten robots cartesianos, formados por tres articulaciones prismáticas que controlan la posición del efector terminal. Se destaca la sencillez de su cinemática inversa. Además, se presentan robots cilinéndricos y esféricos con combinaciones de articulaciones revolubles y prismáticas. Se abordan robots paralelos, que tienen una cadena cinemática cerrada y se distinguen por su distribución de carga, velocidad, rigidez y precisión, aunque su espacio de trabajo es más reducido y su cinemática más compleja. Se describen robots de plataforma de StewART y robots Delta, y se menciona el robot arm paragram, un tipo de robot con cadena cinemática cerrada. Finalmente, se introducen robots redundantes, que tienen más grados de libertad de los necesarios para realizar una tarea específica, lo que les permite ser más diestro y evitar singularidades o restricciones de articulación.

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🤝 Robots Colaborativos y Conclusión

El tercer párrafo trata sobre los robots colaborativos, que son similares a los robots clásicos pero incorporan sensores de fuerza y torsión, así como engranajes armónicos y codificadores para detectar fuerzas externas. Esto les permite ser compatibles y realizar tareas en interacción con humanos de manera segura. Se puede controlar su impedancia para ser rígida en algunas direcciones y complaciente en otras. Los robots colaborativos pueden aprender tareas a través de demostraciones humanas. El párrafo concluye resumiendo los tipos de manipuladores robóticos industriales y sus características principales presentados a lo largo de la presentación.

Keywords

💡Manipulador robótico

Un manipulador robótico es una estructura mecánica compuesta de enlaces y articulaciones, con un efector terminal que puede ser controlado. Es fundamental para la automatización en aplicaciones industriales y se utiliza para realizar una amplia gama de operaciones de manipulación. En el guion, se menciona que los manipuladores robóticos pueden tener hasta seis grados de libertad, correspondientes a las posiciones x, y, z y las tres orientaciones.

💡Cadena cinemática abierta

Una cadena cinemática abierta, también conocida como cadena serial, se refiere a la configuración topológica de los enlaces y articulaciones de un robot que están unidos en serie. En el guion, se explica que los robots con cadenas abiertas tienen un grado de conectividad de 2, excepto para la base y el efector terminal que tienen un grado de 1.

💡Cadena cinemática cerrada

Una cadena cinemática cerrada, o paralela, se caracteriza por tener enlaces y articulaciones que no están unidos en serie, sino que forman una estructura más rígida y compacta. Los robots con cadenas cerradas, como se menciona en el guion, suelen tener un mayor grado de rigidez y precisión, aunque su espacio de trabajo es más reducido.

💡Grado de conectividad

El grado de conectividad de un enlace es el número de enlaces a los que está conectado a través de una articulación. Es un concepto clave para diferenciar entre robots seriales y paralelos, como se discute en el guion. Por ejemplo, si un enlace tiene un grado de conectividad de 3 o más, se considera un robot paralelo.

💡Robot antropomórfico

Un robot antropomórfico es aquel cuya estructura se asemeja al brazo humano, con una cintura, un hombro y un codo. Estos robots son ampliamente utilizados en aplicaciones industriales y suelen tener una cadena cinemática abierta. En el guion, se describe cómo este tipo de robots controla la posición y la orientación del herramiento a través de sus articulaciones.

💡Robot SCARA

SCARA es un acrónimo de 'Selective Compliance Assembly Robot Arm'. Este tipo de robot es utilizado principalmente para la inserción de componentes y ensamblaje en la industria. Tiene cuatro grados de libertad y articulaciones paralelas que le permiten controlar la posición x, y. El guion destaca que las articulaciones paralelas son un rasgo distintivo de este tipo de robots.

💡Robot cartesiano

Un robot cartesiano está formado por tres articulaciones prismáticas en una cadena cinemática abierta. Este tipo de robots controla hasta tres grados de libertad, afectando solo a la posición del efector terminal. El guion menciona que la cinemática inversa de estos robots es sencilla y que son comunes en impresoras 3D.

💡Robot paralelo

Los robots paralelos tienen una cadena cinemática cerrada y suelen ser más rápidos y precisos que los robots seriales. El guion describe dos tipos principales: los robots de plataforma Stewart y los robots delta, que tienen estructuras de movimiento únicas y aplicaciones específicas en la industria.

💡Redundancia

La redundancia en un robot se refiere a tener más grados de libertad de los necesarios para realizar una tarea específica. Esto permite a los robots alcanzar la misma posición y orientación de múltiples maneras, lo que aumenta su destreza y les permite evitar singularidades o restricciones de articulación, como se explica en el guion.

💡Robots colaborativos

Los robots colaborativos, o cobots, son similares a los robots clásicos pero incluyen sensores de fuerza y torque, así como engranajes armónicos y codificadores para detectar fuerzas externas. Esto les permite ser compatibles y trabajar de manera segura con humanos, aprendiendo tareas a través de demostraciones humanas, como se menciona en el guion.

Highlights

不同类型的机器人操纵器在许多工业应用中被使用。

介绍机器人的目的是了解它们的类型、工业应用以及它们之间的差异。

机器人操纵器是由连杆、关节和末端执行器组成的机械结构。

机器人的最大自由度通常是六个，对应于位置和方向。

机器人比传统自动化制造过程更灵活，可以适应多种情况。

存在两种运动学结构：开放或闭合的运动学链。

通过研究每个连杆的连通度来区分串联或并联机器人。

并联机器人通常允许更好的负载分布，具有更高的速度和加速度。

并联机器人的刚度和精度更高，但工作空间通常较小。

连杆的连通度定义了机器人结构的类型。

串联机器人具有开放的运动学链，所有连杆的连通度为2，除了基座和末端执行器。

并联机器人的定义是具有闭合的运动学链。

Stewart平台机器人和Delta机器人是两种主要的并联机器人类型。

Parakinema机器人臂是一种闭合运动学链机器人，具有三个旋转关节。

双并联机器人是SCARA机器人的改进，可以避免一些运动学奇异性。

经典机器人臂可以是冗余的，这意味着它们具有超过完成任务所需的自由度。

协作机器人包括力或扭矩传感器，可以安全地与人类互动。

协作机器人可以从人类演示中学习任务。

介绍了多种工业应用中的机器人操纵器，并分析了它们的主要特点。

Transcripts

hello in this presentation i will talk

about different robot manipulator types

used in many industrial applications

the aims of the presentation are to know

different types of robots

use industrial applications as well as

to understand the differences

between these robots and also some

concepts such as the open

and close schematic chains also for

instance

to difference to know the difference

between serial and apparel structure

and finally we will focus on describing

the main characteristics of this robot

or each of these robot types

a robot manipulator is a mechanical

structure made up

of links in joints with an end effector

link that can be controlled robot

manipulators have a tool

for or use for a wide spectrum of

manipulation operations the maximum

number of degrees of freedom for the

nfactor

is six corresponding to the x y z

positions

and for the three orientations

but some robots have some redundancy

which implies that they can accomplish

the same task

in multiple ways the main advantage

that a robot offers compared to

traditional

automated manufacturing processes using

let's say

specialized machines is that robots are

flexible

they can be adapted to many situations

for this reason they can be used to

solve many industrial problems

there are two types of kinematic

structures so called

open or closed schematic change

an open or serial chemic chain

due to its topological configuration is

nothing more than the union

of links and joints in series

on the other hand there are robots with

close or parallel kinematic change due

to

their topological configuration

in order to differentiate between a

serial or parallel robot

we will have to study degree of

connectivity for each of the links

excluding in this case the base if a

link

has a degree of connectivity of 3

or higher then we will say that

this is a parallel robot while if the

maximum degree of connectivity is two

then we will say that this is a serial

robot we will see

in the next slide what's actually a

degree of connectivity

and how to compute it but for now

i would like first to mention some of

the advantages

that parallel robots have compared to

zero robots

they generally allow a better

distribution of the robot's load

and tend to reach higher speeds and

accelerations

and they have a greater rigidity and

accuracy

although we can say that their main

advantage

is that their kinematics is usually more

complex

and the workspace this is a very

important aspect

is usually smaller

than the ones in serial robots

and also it's harder to compute

as i mentioned before the degree of

connectivity of a link

defines the robot structure type

this degree can be computed from the

number of links

to which it is connected through a joint

in the figures we can see the cases of

two robots

one with an open or serial

structure and the other one with a close

or parallel structure

in the case of a serial open chain all

links

have a degree of connected connectivity

of 2

except the base and the end effector

with a degree

of 1 because they are only connected to

another link

in the case of the parallel robot the

base has a connectivity of 3

although this should not be taken into

account to be considered as a

parallel robot remember the re the rest

of links or reminder of links they have

different degrees of connectivity two or

three or even

six for the end effector

so now let's understand different types

of robots

so let's start with the anthro

anthropomorphic robot

or simply called robot arm or this is a

classic robot structure with an open

serial killer chain structure and they

are

one of them mostly used in industrial

applications and their

structure resembles the human arm

as you can see it has a waist

a shoulder and an elbow and this is

accomplished with three first joints of

the robot

that can be used to control the position

of a wrist

and then with the joints that we have at

the wrist then we can control

the orientation of the tool

like we have with our in this case hand

finger

the scanner robot which stands for

selective compliance assembly robot arm

is a robot used in industrial

applications for

basically for component insertion and

assembly

uh this is an open kinematic chain robot

arm

and has four degrees of freedom and with

two parallel rebel

joints parallel means their axes are

parallel

that allow to control x y position

and then it has a prismatic joint for

controlling the set

position and the final revolute joint to

control the orientation of the end

effector

the cartesian robot is a robot formed by

three prismatic joints

in this case also in an open kinematic

chain structure

although in some cases there are some

supporting rails but they do not affect

kinematically

to the robot cartesian robots can

control

up to 3 or a maximum of 3 degrees of

freedom affecting only to the position

of the end effector we can't

control with this robot the orientation

of the end effector

the main advantage of this robot is that

the inverse kinematics is

just simply straightforward and a common

example or

in our daily life of this type of robots

we can say for instance we can find it

in 3d printers

some additional but in this case

obsolete

robots that use open kinematic change

structures

are let's say the cylindrical and the

spherical or political

sorry polar robot this type of robot

combine revolut

and prismatic joins as you can see from

the letters below

and also in this case in the animation

on the right

the parallel robot has by definition a

close kinematics chain

one of the main advantage of this robot

is that the position errors

are average and they do not accumulate

as is the case of serial manipulators

when we talk about parallel robots we

can distinguish between two type of

robots

the steward platform type robots or

delta robots

for the first case uh this robot has

three

sorry six uh prismatic actuators that

are used to move

the end effector joints or they they

have that include

joints that spherical joints and

and they can be frequently found in

driving or flight simulators for

instance

on the other hand we have delta robots

that they use

three revolute joints to move

three parallelogram arm structures

attached to the

end effector using spherical joints

the paragram robot arm structure is a

closed kinematic chain robot

it has three revolute joints while the

rest of joints

are all passive revolute joints

the first two joints are just like as

the ones we can find

in any anthropomorphic arm in the

animation

anyway uh this robot you can see here

does not

have or that does not include the first

join in which we can

uh turn the wrist of the robot arm

but i believe that it's easy to imagine

how it works

well anyway the third joint of this

robot is controlled by a four bar

mechanism

or a linkage and the end effector

it's usually affected or a control

with a paragraph structure that ensures

that it's always

horizontal in this case as you can see

here in the animation

the dual parallel scatter robot is an

improvement of the scar

robot that allows avoiding some

kinematic singularities

its kinematics is a closed signal change

and uses in this case a far

bar linkage mechanism

it has two rebel joints for the xy

control

and also a prismatic joint for the set

control

classic robot arms can be a redundant

rod

this redundancy occurs when the robot

has more degrees of freedom than the

ones that

we need to execute a specific task

however

we will usually refer to redundancy to

robots with

7 or more degrees of freedom this type

of robot will allow us to solve tasks

up to 6 degrees of freedom but because

we have this

redundancy we can see that or we can say

that the

robot is more dexterous

because there actually the main

advantage is that

we can achieve multiple configurations

or actually infinite configurations uh

to uh

reach the same position and orientation

and that's why we we say that this robot

uh

are more dexterous also this can be used

to avoid for instance some singularities

or

let's say to avoid some joint

constraints

because of the extra degrees of freedom

and well to finish this presentation i

would also would like to mention

collaborative robots

these are robots as a classic or they

are very similar to classic robot irons

but they include force or

and torque sensors and also some

harmonic drives

and encoders that will allow the

detection of external forces

on each of the joints and this means

that this kind of robots can be

compliant

that is that they can yield in their

effort to accomplish

a specific task if we uh or the

if we if we allow that and this for

instance

can be used to interact with humans

safely

the impedance for each of the directions

of this robot or the end effector or

whatever

can be controlled and selected uh to be

let's say

very stiff in some directions but very

compliant in other directions

one of the main advantages offered by

this type of robots is they can

use to let's say to learn tasks from

human demonstrations for instance

well in this presentation i have

explained several type of robot

manipulators used in industrial

applications

and we have analyzed some of the main

their main characteristics

thank you very much