Diseño óptimo de manipuladores paralelos mediante criterios cinemáticos y dinámicos

Resumen

El campo de la robótica, y especialmente la robótica industrial, ha sido sin duda uno de los más estudiados en las últimas décadas. Debido a su amplia flexibilidad a la hora de su implementación en el sector industrial, han surgido a lo largo del tiempo varias clasificaciones y definiciones de los robots industriales. Existen ciertas dificultades para de establecer una definición formal de lo que es un robot industrial. La primera de ellas surge de la diferencia conceptual entre el mercado japonés y el occidental de lo que es un robot y lo que es un manipulador. Así, mientras que para los japoneses un robot industrial es cualquier dispositivo mecánico dotado de articulaciones móviles destinado a la manipulación, el mercado occidental es más restrictivo, exigiendo una mayor complejidad, sobre todo en lo relativo al control. En segundo lugar, y centrándose ya en el concepto occidental, aunque existe una idea común acerca de lo que es un robot industrial, no es fácil ponerse de acuerdo a la hora de establecer una definición formal. Además, la evolución de la robótica ha ido obligando a diferentes actualizaciones de su definición. En todo este proceso de clasificación, la mayoría de los investigadores se han enfocado hasta hace poco tiempo en los robots serie, que presentan una cinemática abierta. Sin embargo, los robots con cinemática paralela presentan un interés cada día más elevado. Estos tipos de robots tienen una arquitectura de tipo araña y cumplen con una serie de importantes ventajas sobre los robots serie, más extendidos en la actualidad en el ámbito industrial. Entre los robots, o manipuladores paralelos destacan los mecanismos de baja movilidad, que tienen unas perspectivas muy buenas en varias aplicaciones industriales. Los robots manipuladores de baja movilidad presentan una arquitectura que le permiten ser implementados con éxito en determinado tipo de aplicaciones, ejecutando, por ejemplo, operaciones de tipo pick & place o ciertas operaciones de mecanizado. En general, se comportan muy bien en operaciones con un grado de complejidad no tan alto, pero donde el aumento de la productividad es imprescindible y, por lo tanto, son necesarias altas aceleraciones y gran precisión. En la actualidad, esto es el caso de los éxitos industriales de los modelos Delta y Adept Quattro. Hoy en día, el estudio de este tipo de robots es un campo abierto en el que siempre puede aparecer nuevas posibilidades de mejoría. Sin embargo, numerosos estudios no se han concretizado en algo práctico debido a la complejidad de la cinemática que presentan estos robots o la dificultad de control en tiempo real. Otra desventaja es un volumen bastante más reducido del espacio de trabajo respecto a los robots serie. Todo esto hace que, todavía los robots paralelos de baja movilidad no se hayan concretizado en muchas implementaciones industriales. Por todo esto, para disminuir o eliminar los inconvenientes que los robots paralelos suelen poseer, es necesario desarrollar un diseño de la arquitectura del robot que responda mejor a los requisitos iniciales que se deben cumplir en las tareas industriales. En general, esto supone una optimización del diseño con el objetivo de que el robot se comporte adecuadamente desde diferentes puntos de vista. El comportamiento está relacionado con diferentes criterios que debe cumplir el robot y que pueden ser de naturaleza mecánica, eléctrica, electrónica o automática. Estos criterios tienen que servir como objetivos principales en la mejoría del comportamiento del robot. Esta Tesis Doctoral se centra en el diseño óptimo de los robots o manipuladores paralelos de baja movilidad teniendo en cuenta criterios de naturaleza mecánica, como por ejemplo la cinemática y la dinámica del sólido rígido. En concreto, en esta Tesis se propone una metodología simple del diseño óptimo y se define una síntesis dimensional principal particularizada para estos tipos de manipuladores. En particular, esta Tesis se centra en los manipuladores paralelos de baja movilidad que generan en la plataforma móvil el movimiento Schönflies. El dimensionamiento óptimo de los principales parámetros geométricos que componen la arquitectura de los manipuladores es el propósito general de esta Tesis Doctoral. Este dimensionamiento óptimo tiene como objetivo final un comportamiento adecuado del robot desde el punto de vista cinemático y dinámico al mismo tiempo. En el campo de la optimización los parámetros geométricos se denominan parámetros de diseño y los objetivos se denominan funciones objetivo, lo que corresponde a las entradas y las salidas, respectivamente, de un problema de optimización. Cuando se tiene que optimizar en función de varios objetivos a la vez, la optimización se denomina optimización multi-objetivo. A menudo, este tipo de optimización supone la validación de más de un único resultado, debido a la incompatibilidad en la convergencia hacia el óptimo entre varias funciones objetivo analizadas. En muchos casos, la optimización en los manipuladores paralelos se ha centrado sólo en los criterios cinemáticos como, por ejemplo, el volumen del espacio de trabajo y la destreza del robot dentro de éste mismo espacio de trabajo. Sin embargo, se ha encontrado poca información sobre una optimización teniendo en cuenta también criterios de naturaleza dinámica y mucho menos optimizaciones que tienen en cuenta más de dos funciones objetivo al mismo tiempo. En la presente Tesis Doctoral, el aspecto más importante está enfocado en la optimización multi-objetivo teniendo en cuenta tres funciones objetivo, tanto analizadas por otros autores como desarrolladas en esta Tesis. Es muy usual intentar maximizar el espacio de trabajo de los robots paralelos, sabiendo que éstos carecen de un espacio grande como en el caso de los robots serie. Sin embargo, es más práctico intentar maximizar un espacio de trabajo operacional que sea más fácil de definir en la práctica y que, por encima de todo, sea libre de singularidades, garantizando una cierta seguridad. Es lo que se ha utilizado en la presente Tesis como función objetivo, con un espacio de trabajo definido de una manera original y sencilla. Otro criterio utilizado con frecuencia en la optimización ha sido la destreza global que se ha utilizado hasta ahora como una media del mapa local de la destreza del espacio de trabajo analizado. No obstante, no siempre el resultado es elocuente debido a la variación de la distribución de los puntos discretizados. Por lo tanto, a partir de la definición discreta del espacio operacional libre de singularidades, se ha definido un indicador global de la destreza que tiene en cuenta esta distribución. Otros posibles criterios cinemáticos analizados son la denominada ganancia que se puede utilizar para maximizar el espacio de trabajo dentro del espacio ocupado por el robot en la planta, o los desplazamientos de los accionamientos por unidad de ciclo efectuado por el elemento terminal que se puede utilizar como alternativa al criterio del volumen del espacio de trabajo. Tanto la destreza global como el volumen o los desplazamientos representan unos indicadores que miden el comportamiento del robot. En el caso dinámico se ha utilizado en esta Tesis un indicador nuevo para medir la energía necesaria en los accionamientos por unidad de ciclo efectuado por el elemento terminal. Tanto este indicador como el de desplazamientos en el caso cinemático, son dependientes de las velocidades y aceleraciones impuestas en las trayectorias ejecutadas por el elemento terminal. Asimismo, las características inerciales se han podido cuantificar y utilizar un indicador dinámico como función objetivo en la optimización multi-objetivo. Todos estos indicadores se han implementado con dos ejemplos de manipuladores paralelos de baja movilidad con movimiento Schönflies, desarrollánx dose una optimización multi-objetivo con tres funciones objetivo y con varias representaciones gráficas en las que se pueden observar la variación y la interdependencia entre las funciones objetivo y los parámetros de diseño. Se han elegido dos métodos de optimización para los dos ejemplos implementados con el objetivo de comparar los resultados obtenidos y las arquitecturas elegidas por el usuario final. La Tesis Doctoral concluye con la presentación de las contribuciones principales y las conclusiones que se derivan de la misma junto con las posibles líneas futuras de investigación.