Síntesis, análisis y diseño de manipuladores paralelos de baja movilidad

Resumen

Los manipuladores paralelos de baja movilidad son sin duda un tipo de mecanismos de un presente y futuro prometedores en un gran número de aplicaciones industriales, presentando una serie de importantes ventajas sobre los robots serie, más extendidos en la actualidad en el ámbito industrial, siempre y cuando su diseño haya sido realizado para la realización de un tipo de operación concreto. Sin embargo, hasta el día de hoy estas ventajas no han podido sobreponerse a los inconvenientes que estos presentan. Las peculiares características de este tipo de robots ha hecho que ciertas arquitecturas hayan encontrado un perfecto acomodo en determinado tipo de aplicaciones, como la realización de operaciones de pick & place o ciertas operaciones de mecanizado, siendo quizás los robots Delta y Tricept los manipuladores paralelos que posean un presente más importante. Además, el desarrollo de nuevas arquitecturas de este tipo de robots es un proceso en constante actividad, ya que día a día van apareciendo nuevas posibilidades. Sin embargo, la mayoría de estos nuevos robots quedan limitados a la realización de estudios teóricos o simplemente experimentales, debido a que la complejidad de sus cinemáticas, la dificultad de su control en tiempo real, la ausencia de técnicas de calibración totalmente sistematizadas, etc., hacen que la industria sea todavía reticente a utilizar este tipo de mecanismos. Dentro del campo de los robots de cinemática paralela, esta Tesis Doctoral se centra en los denominados manipuladores paralelos de baja movilidad, capaces de realizar movimientos de un número inferior a seis grados de libertad de unas determinadas características, esto es, realizando un número específico de movimientos de rotación y traslación. En particular, esta Tesis Doctoral pretende establecer un procedimiento sistemático para el diseño de este tipo de mecanismos, hasta llegar a su concepción final. La definición de nuevas arquitecturas de manipuladores paralelos de baja movilidad realizando un movimiento específico no es una tare simple ni trivial, que pueda realizarse desde la intuición. Debido a esto, esta Tesis Doctoral aborda en primer lugar un procedimiento de síntesis morfológica de nuevas arquitecturas de este tipo de robots a partir de la Teoría de Grupos de Desplazamientos, realizando un análisis exhaustivo de las diferentes cadenas cinemáticas que se han de utilizar para la definición de un manipulador de cinemática paralela. En concreto, esta Tesis Doctoral se centra en la definición de nuevas arquitecturas de manipuladores paralelos capaces de generar en su plataforma móvil el denominado movimiento Shonflies, el cual define la posibilidad de realizar movimientos de traslación independientes en cualquier dirección del espacio, junto con un movimiento de rotación alrededor de un eje de dirección constante, dotados además de una disposición simétrica de sus elementos y accionamientos, lo que sin duda facilita el planificación de trayectorias y distribuye equitativamente el reparto de esfuerzos. Sin embargo, a pesar de que varias arquitecturas de este tipo de robots sean capaces de realizar un mismo tipo de movimiento, esto no hace que todas ella ofrezcan unas prestaciones idénticas, lo cual implica que deberían analizarse por completo todas las diferentes alternativas antes de poder elegir cuál de todas ellas es la que mejor se adapta a unos requisitos concretos. Sin embargo, este proceso de análisis supondría un esfuerzo quizás excesivo a realizar en las fases iniciales de diseño. Debido a esto, esta Tesis Doctoral desarrolla una nueva formulación jacobiana de carácter general para el análisis cinemático de mecanismos de cualquier morfología, la cual, implementada dentro de un software de apoyo al diseño, permite realizar a partir de un idéntico procedimiento los análisis que permiten determinar qué arquitectura de manipulador es la que mejor se adapta a la realización de una determinada operación, además de facilitar el estudio de los cambios al comportamiento global del mecanismo que la inclusión de diferente modificaciones al diseño inicial pueda suponer. Esta nueva formulación jacobiana, cuya más peculiar característica es la de definir el mecanismo empleando un conjunto de puntos característicos pertenecientes al mismo, permite realizar cualquier tipo de análisis cinemático sobre cualquier tipo de mecanismo, plano o espacial, serie o paralelo, híbrido o redundante, de una forma totalmente sistemática: por ejemplo la realización de los análisis de velocidades y aceleraciones, el planteamiento y la resolución del problema de transmisión estática de fuerzas, la determinación de la movilidad instantánea de cualquier tipo de posición (singular o no singular), la determinación de las características de manipulabilidad y destreza de cualquier tipo de manipulador, la realización de un análisis de singularidades completamente exhaustivo, etc., por citar algunas de sus capacidades. El hecho de emplear una formulación Jacobina basada en puntos, además de obedecer a la sistematización de los diferentes análisis, permite obtener una formulación completamente homogénea de los diferentes problemas, evitando de este modo los inconvenientes de tipo numérico asociados a la inconsistencia dimensional de los diferentes términos empleados en este tipo de análisis (velocidades lineales y velocidades angulares, fuerzas y momentos). Tras la realización de los análisis preliminares mediante el procedimiento anteriormente descrito, se ha podido seleccionar los manipuladores que, a priori, ofrecen unas mejores prestaciones para una determinada aplicación. En concreto, esta Tesis Doctoral presenta el estudio completo de dos arquitecturas de rotobts paralelos realizando movimiento Schonflies obtenidas a partir del procedimiento de síntesis morfológica desarrollado en el inicio de la misma, destinados a diferentes tipos de aplicaciones como pueden ser la realización de operaciones de taladrado y remachado sobre las superficies de perfiles aeronáuticos o la realización de operaciones de pick & place a altas velocidades. Las temáticas incluidas en este punto abordan los enfoques clásicos realizados para este tipo de robots, centrados en la resolución de los problemas de posición siempre pensando en su implementación dentro de un control numérico, y la realización del análisis de velocidades y singularidades. Tras la realización de estos estudios, se aborda la realización de los diseños optimizados de estos estudios, se aborda la realización de los diseños optimizados de estos dos manipuladote, bien buscando la definición de un diseño libre de singularidades o bien ajustado a unos objetivos de maximización del espacio de trabajo y maximización de la destreza global del manipulador, permitiendo definir y realizar los prototipos demostrativos de estas arquitecturas de robots. La Tesis Doctoral concluye con la presentación de sus contribuciones principales, las conclusiones que se derivan de la misma y las posibles líneas futuras pueden continuar la investigación hasta aquí realizada.