Introducción.................................................................................................................... 13
Capítulo 1 ...................................................................................................................... 21
Definición del Problema: Diseño Conceptual ................................................................ 21
1. Planteamiento del Problema.................................................................................... 23
1.1. Análisis, Comprensión y Descripción del Contexto de Uso............................ 24
1.1.1. Diseño Centrado en el Usuario................................................................. 24
1.1.2. Diseño Centrado en la Tarea .................................................................... 24
1.1.3. Diseño Centrado en el Entorno................................................................. 24
1.2. Identificación de Necesidades a Cubrir ........................................................... 25
1.3. Generación y Reproducción de Ideas .............................................................. 25
2. Análisis de Especificaciones Técnicas, Económicas y Legales.............................. 26
2.1. Características Funcionales y Especificaciones Técnicas ............................... 26
2.1.1. Especificaciones Generales de un Sistema Robótico Universal............... 27
2.1.2. Especificaciones Concretas de un Robot según Aplicación..................... 36
2.2. Justificación de las Condiciones Económicas ................................................. 41
2.2.1. Estudio de Mercado.................................................................................. 41
2.2.2. Análisis de Costes Directos e Indirectos y Tiempos ................................ 43
2.2.3. Herramientas de Análisis Económico....................................................... 44
2.3. Registro y Razonamiento de las Especificaciones Legales ............................. 45
2.3.1. Bibliografía............................................................................................... 45
2.3.2. Artículos de Investigación........................................................................ 46
2.3.3. Propiedad Industrial.................................................................................. 46
2.4. Convenio de Restricciones y Condiciones de Trabajo .................................... 47
3. Determinación de la Topología: Síntesis Estructural.............................................. 49
4. Creación Conceptual ............................................................................................... 50
5. Algoritmo del Diseño Conceptual........................................................................... 51
5.1. Identificación del Problema ............................................................................. 51
5.2. Análisis de Especificaciones............................................................................ 52
5.3. Síntesis Estructural .......................................................................................... 52
5.4. Creación Conceptual........................................................................................ 52
6. Propuesta de la Solución a Nivel Conceptual ......................................................... 53
7. Conclusión............................................................................................................... 54
8. Trabajos Citados...................................................................................................... 55
Capítulo 2 ...................................................................................................................... 57
Desarrollo de la Solución I: Análisis Cinemático .......................................................... 57
1. Definición de la Cuestión Física ............................................................................. 59
1.1. Descripción de la Geometría del Mecanismo .................................................. 59
1.1.1. Modelo Geométrico..................................
1.1.2. Descripción Global................................................................................... 59
1.1.3. Representación de Eslabones.................................................................... 60
1.1.4. Representación de Articulaciones ............................................................ 60
1.2. Definición del Modelo de Representación Matemático................................... 62
1.2.1. Estructura del Robot ................................................................................. 62
1.2.2. Sistemas de Coordenadas ......................................................................... 63
1.2.3. Eslabones y Articulaciones....................................................................... 63
2. Procedimientos de Análisis Cinemático.................................................................. 64
2.1. Solución a la Cuestión Cinemática Directa ..................................................... 65
2.1.1. Cinemática Directa en Sistemas Robóticos Seriales ................................ 67
2.1.2. Cinemática Directa en Sistemas Robóticos Paralelos .............................. 69
2.1.3. Cinemática Directa en Sistemas Robóticos Locomotores........................ 72
2.2. Solución a la Cuestión Cinemática Inversa ..................................................... 78
2.2.1. Cinemática Inversa en Sistemas Robóticos Seriales ................................ 79
2.2.2. Cinemática Inversa en Sistemas Robóticos Paralelos .............................. 82
2.2.3. Cinemática Inversa en Sistemas Robóticos Locomotores........................ 83
2.3. Solución a la Cuestión Cinemática Diferencial ............................................... 85
2.3.1. Modelo Matemático de la Matriz Jacobiana............................................. 85
2.4. Parámetros de Funcionalidad de un Sistema Robótico.................................... 87
2.4.1. Espacio de Trabajo ................................................................................... 87
2.4.2. Isolíneas de Exactitud............................................................................... 88
2.4.3. Configuraciones Singulares...................................................................... 90
2.4.4. Configuraciones Móviles.......................................................................... 90
2.4.5. Elipsoide de Manipulabilidad................................................................... 90
2.4.6. Índices de Comportamiento Cinemático .................................................. 91
3. Selección de las Dimensiones de los Eslabones ..................................................... 92
3.1.1. Función Objetivo para la Optimización.................................................... 92
3.1.2. Restricciones del Problema de Optimización........................................... 92
4. Código Programado para el Análisis Cinemático ................................................... 93
4.1. Toolboxes Disponibles .................................................................................... 94
4.1.1. Robotics Toolbox for Matlab® de P. Corke............................................. 94
4.1.2. ROBOMOSP: ROBOtics MOdeling and Simulation Platform................ 94
4.1.3. SPACELIB ............................................................................................... 94
4.2. Toolbox HEMERO.......................................................................................... 95
5. Algoritmo del Análisis Cinemático......................................................................... 96
5.1. Definición de la Cuestión Física ...................................................................... 96
5.2. Procedimiento para la Obtención de un Modelo Matemático ......................... 96
5.2.1. Mediante Teoría Convencional ................................................................ 96
5.3. Optimización de las Dimensiones de los Eslabones........................................ 97
6. Propuesta de la Solución a Nivel Cinemático ......................................................... 99
7. Conclusión............................................................................................................. 100
8. Trabajos Citados.................................................................................................... 102
Capítulo 3 .................................................................................................................... 109
Desarrollo de la solución II: Análisis Dinámico .......................................................... 109
1.Definición de la Cuestión Física................................................................................ 113
1.1. Selección de Materiales ................................................................................. 113
1.1.1. Relaciones de Performance .................................................................... 114
1.1.2. Cartas de Materiales ............................................................................... 115
1.1.3. Procedimiento de Selección de Materiales............................................. 115
1.2. Definición Preliminar de Geometrías ............................................................ 115
1.3. Pre-selección de Actuadores: Cálculos Preliminares..................................... 116
1.3.1. Oferta de Catálogo.................................................................................. 116
1.3.2. Histograma de Par .................................................................................. 116
1.4. Estimación de Pesos....................................................................................... 116
2.Procedimientos de Análisis Dinámico....................................................................... 117
2.1. Solución a la Cuestión Dinámica Inversa ...................................................... 118
2.1.1. Formulación de Newton-Euler ............................................................... 118
2.1.2. Formulación de Lagrange-Euler............................................................. 121
2.1.3. Formulación de d’Alembert.................................................................... 123
2.2. Solución a la Cuestión Dinámica Directa ...................................................... 125
2.2.1. Método de Resolución por Sistemas de Ecuaciones .............................. 125
2.2.2. Método de Walker & Orin...................................................................... 126
2.2.3. Método de Gibbs-Appell ........................................................................ 126
2.3. Análisis Dinámico según la Configuración del Robot................................... 127
2.3.1. Análisis Dinámico en Robots Seriales.................................................... 127
2.3.2. Análisis Dinámico en Robots Paralelos.................................................. 128
2.3.3. Análisis Dinámico en Robots Locomotores........................................... 130
2.4. Adición Dinámica de los Actuadores ............................................................ 131
2.4.1. Modelo Dinámico de un Motor Eléctrico de Corriente Continua .......... 131
2.4.2. Modelo Dinámico de un Motor Hidráulico con Servoválvula ............... 132
2.4.3. Modelo Dinámico de un Músculo Artificial Neumático........................ 133
2.4.4. Modelo Dinámico de un Cilindro Neumático de Doble Efecto ............. 134
3.Procedimiento para la Selección de la Motorización ................................................ 135
3.1. Caracterización de la Carga ........................................................................... 136
3.1.1. Datos de Partida...................................................................................... 136
3.1.2. Alternativas de Simplificación ............................................................... 137
3.2. Selección del Conjunto Accionador............................................................... 139
3.2.1. Características Básicas de Selección ...................................................... 139
3.2.2. Características Avanzadas de Selección................................................. 140
3.3. Verificación del Conjunto Accionador.......................................................... 142
4.Código Programado para Análisis Dinámico ............................................................ 143
4.1. Robotics Toolbox for Matlab® de P. Corke.................................................. 144
5.Algoritmo del Análisis Dinámico.............................................................................. 145
5.1. Definición de la Cuestión Física .................................................................... 145
5.2. Procedimiento para la Obtención de un Modelo Matemático ....................... 146
2.4.1. Generación de la Planimetría.................................................................. 174
2.4.2. Obtención de Modelos Explosionados................................................... 174
2.4.3. Autodesk® Inventor™ Studio................................................................ 174
2.5. Algoritmo de Diseño Conceptual mediante HI-DMAs ................................. 175
2.5.1. Identificación del Problema.................................................................... 175
2.5.2. Análisis de Especificaciones .................................................................. 176
2.5.3. Síntesis Estructural ................................................................................. 176
2.5.4. Creación Conceptual............................................................................... 176
3. Teoría Básica de la Simulación Dinámica ............................................................ 177
3.1. Fundamentos Teóricos de la Simulación Dinámica....................................... 177
3.1.1. Métodos Numéricos en la Simulación Dinámica ................................... 177
3.2. Mecanismos de Cadena Abierta y Cerrada.................................................... 178
3.3. Mecanismos Redundantes en Inventor™ ...................................................... 179
3.4. Interfaz Gráfica de Simulación Dinámica en Inventor™ .............................. 180
3.4.1. Navegador de Simulación Dinámica ...................................................... 180
3.4.2. Ventana Gráfica de Simulación Dinámica ............................................. 180
3.4.3. Panel de Simulación Dinámica............................................................... 180
3.4.4. Simulador ............................................................................................... 181
3.4.5. Configuración de la Simulación Dinámica............................................. 181
3.5. Gráfico de Entrada de Datos.......................................................................... 183
3.6. Gráfico de Salida de Datos ............................................................................ 185
3.6.1. Herramientas Especializadas del Gráfico de Salida de Datos................ 186
3.6.2. Navegador del Gráfico de Salida de Datos............................................. 186
3.6.3. Ventana de Gráficos del Gráfico de Salida de Datos ............................. 186
3.6.4. Panel de Pasos de Tiempo del Gráfico de Salida de Datos.................... 186
4. Herramientas DMA Empleadas en Análisis Cinemático ...................................... 187
4.1. Ensamblaje de Componentes......................................................................... 188
4.1.1. Creación de Sub-ensamblajes................................................................. 188
4.1.2. Soldadura de Componentes.................................................................... 189
4.2. Creación de Uniones...................................................................................... 189
4.2.1. Procedimiento de Creación de Uniones ................................................. 189
4.2.2. Tipos de Juntas....................................................................................... 192
4.3. Asignación de Condiciones de Funcionamiento............................................ 195
4.3.1. Condiciones Generales de una Unión..................................................... 195
4.3.2. Condiciones Iniciales y Límites del GdL (Uniones Estándar) ............... 195
4.3.3. Parámetros del GdL (Uniones No Estándar).......................................... 196
4.3.4. Movimiento Impuesto del GdL .............................................................. 197
4.4. Análisis de Resultados................................................................................... 198
4.4.1. Visualización de Vectores en la Ventana Gráfica .................................. 198
4.4.2. Trazo de Rutas........................................................................................ 198
4.4.3. Marcos de Referencia ............................................................................. 198
4.4.4. Revisión de Resultados en la Gráfica de Salida de Datos...................... 199
4.4.5. Eventos Precisos..................................................................................... 199
4.4.6. Guardar Resultados de Simulación......................................................... 199
4.4.7. Generación de Resultados Derivados..................................................... 199
4.4.8. Exportación de Datos a Microsoft®
Excel™.......................................... 199
4.5. Ajuste de Funciones Empleando DataFit™................................................... 200
4.6. Algoritmo del Análisis Cinemático mediante HI-DMAs.............................. 201
4.6.1. Análisis Cinemático mediante Ajuste de Híper-Superficies: Modelo
Matemático............................................................................................................ 203
4.6.2. Análisis Cinemático mediante Filosofía “Just In Need”: Modelo Virtual
No Matemático...................................................................................................... 207
5. Herramientas DMA Empleadas en Análisis Dinámico......................................... 210
5.1. Ensamblaje de Componentes......................................................................... 211
5.2. Creación de Uniones...................................................................................... 211
5.3. Asignación de Condiciones de Funcionamiento............................................ 212
5.3.1. Condiciones Generales de una Unión..................................................... 212
5.3.2. Editar Par de la Unión ............................................................................ 212
5.3.3. Definición de Fuerzas y Pares Aplicados............................................... 213
5.4. Análisis de Resultados................................................................................... 213
5.5. Algoritmo del Análisis Dinámico mediante HI-DMAs................................. 213
5.5.1. Análisis Dinámico mediante Ajuste de Híper-Superficies: Modelo
Matemático............................................................................................................ 214
5.5.2. Análisis Dinámico mediante Filosofía “Just In Need”: Modelo Virtual No
Matemático............................................................................................................ 215
6. Herramientas DMA Empleadas en Análisis FEM ................................................ 218
6.1. Método de los Elementos Finitos................................................................... 218
6.1.1. El Método FEM en la Práctica ............................................................... 219
6.1.2. Ventajas del FEM................................................................................... 220
6.1.3. Limitaciones del FEM ............................................................................ 220
6.2. Algoritmo del Análisis FEM.......................................................................... 221
6.3. Algoritmo del Estudio FEM .......................................................................... 222
6.3.1. Simplificación del Modelo ..................................................................... 222
6.3.2. Creación de la Simulación...................................................................... 223
6.3.3. Especificación de los Materiales ............................................................ 224
6.3.4. Adición de Restricciones........................................................................ 224
6.3.5. Adición de Cargas en Cuerpos ............................................................... 225
6.3.6. Adición de Contactos entre Componentes ............................................. 226
6.3.7. Generación de la Malla........................................................................... 227
6.3.8. Ejecución de la Simulación .................................................................... 230
6.3.9. Interpretación de los Resultados............................................................. 231
6.3.10. Optimización .......................................................................................... 232
6.4. Análisis Cuasiestático: Cargas de Movimiento ............................................. 233
6.4.1. Exportación a CEF ................................................................................. 233
6.4.2. Generación de Pasos de Tiempo............................................................. 234
6.5. Características del SDS en Inventor™ .......................................................... 235
6.5.1. Particularidades del SDS en Inventor™ ................................................. 235
6.5.2. Análisis de Tensiones Estático vs. Análisis Modal................................ 237
7. Herramientas DMA Empleadas en Diseño Funcional .......................................... 238
7.1. ¿Qué es Design Accelerator? ......................................................................... 238
7.2. Generadores de Componentes........................................................................ 239
7.2.1. Generador de Componente de Ejes ........................................................ 239
7.2.2. Generador de Conexiones por Perno...................................................... 240
7.2.3. Generador de Componente de Ranuras.................................................. 240
7.2.4. Generador de Componente de Chavetas................................................. 240
7.2.5. Generador de Componente de Levas...................................................... 240
7.2.6. Generador de Componente de Engranajes.............................................. 241
7.2.7. Generador de Componente de Rodamientos.......................................... 241
7.3. Asistentes de Cálculo Mecánico .................................................................... 241
7.3.1. Asistente de Cálculo de Tolerancias....................................................... 241
7.3.2. Asistente de Cálculo de Soldaduras........................................................ 241
7.3.3. Asistente de Cálculo de Tornillos de Potencia ....................................... 242
7.4. Manual del Ingeniero ..................................................................................... 242
7.5. Algoritmo del Diseño Funcional.................................................................... 242
8. Herramientas DMA Empleadas en Control en Realidad Virtual.......................... 243
8.1. ¿Qué es SimMechanics™? ............................................................................ 243
8.2. Proceso de Modelización ............................................................................... 244
8.3. Librerías en SimMechanics™........................................................................ 245
8.3.1. Biblioteca Bodies.................................................................................... 245
8.3.2. Biblioteca Joints ..................................................................................... 246
8.3.3. Biblioteca Sensors & Actuators.............................................................. 247
8.3.4. Biblioteca Constraints & Drivers ........................................................... 248
8.3.5. Biblioteca Force Elements...................................................................... 248
8.3.6. Biblioteca Utilities.................................................................................. 248
8.4. Traducción hacia SimMechanics™ ............................................................... 249
8.5. Algoritmo del Control en Realidad Virtual ................................................... 249
9. Propuesta de la Solución a Nivel FEM, Funcional y de Control .......................... 250
9.1. Propuesta de la Solución a Nivel FEM.......................................................... 250
9.2. Propuesta de la Solución a Nivel Funcional .................................................. 250
9.3. Propuesta de la Solución a Nivel de Control ................................................. 250
10. Conclusión .......................................................................................................... 251
11. Trabajos Citados.................................................................................................. 255
Capítulo 5 .................................................................................................................... 259
Ejemplo Práctico de Diseño: Robot para Piedra Natural ............................................. 259
1. Definición del Problema: Diseño Conceptual....................................................... 261
1.1. Planteamiento del Problema .......................................................................... 261
1.1.1. Análisis, Comprensión y Descripción del Contexto de Uso .................. 262
1.1.2. Identificación de Necesidades a Cubrir y el Modo................................. 262
1.2. Análisis de Especificaciones Técnicas, Económicas y Legales .................... 263
1.2.1. Características Funcionales y Especificaciones Técnicas...................... 263
1.2.2. Comprobación de las Especificaciones Económicas.............................. 269
1.3. Síntesis Estructural ........................................................................................ 269
1.3.1. Registro y Razonamiento de las Especificaciones Legales.................... 270
1.4. Propuesta de la Solución a Nivel Conceptual................................................ 271
2. Desarrollo de la Solución I: Análisis Cinemático ................................................. 273
2.1. Definición de la Cuestión Física .................................................................... 273
2.1.1. Descripción de la Geometría del Mecanismo......................................... 273
2.1.2. Definición del Modelo de Representación Matemático ......................... 276
2.2. Procedimientos de Análisis Cinemático ........................................................ 277
2.2.1. Solución a la Cuestión Cinemática Directa: Modelo Matemático ......... 278
2.2.2. Solución a la Cuestión Cinemática Inversa ............................................ 297
2.2.3. Solución a la Cuestión Diferencial ......................................................... 310
2.2.4. Conceptos Relativos al Espacio de Trabajo ........................................... 313
2.2.5. Cálculo de Longitudes............................................................................ 323
2.2.6. Diseño Cinemático JIN Empleando HI-DMAs...................................... 326
2.2.7. Propuesta de la Solución a Nivel Cinemático ........................................ 333
3. Desarrollo de la Solución II: Análisis Dinámico .................................................. 336
3.1. Definición de la Cuestión Física .................................................................... 336
3.1.1. Definición de Geometrías....................................................................... 337
3.1.2. Pre-selección de Actuadores: Cálculos Preliminares ............................. 338
3.1.3. Estimación de Pesos............................................................................... 338
3.2. Procedimientos de Análisis Dinámico........................................................... 339
3.2.1. Solución a la Cuestión Dinámica Inversa............................................... 340
3.2.2. Solución a la Cuestión Dinámica Directa............................................... 345
3.2.3. Diseño Dinámico JIN Empleando HI-DMAs......................................... 346
3.3. Procedimiento para la Selección de Motorización ........................................ 356
3.3.1. Caracterización de la Carga.................................................................... 356
3.3.2. Selección del Conjunto Accionador ....................................................... 357
3.3.3. Verificación del Conjunto Accionador................................................... 358
3.4. Propuesta de la Solución a Nivel Dinámico .................................................. 360
4. Validación de la Solución: Diseño Mecánico Avanzado...................................... 363
4.1. Análisis FEM ................................................................................................. 364
4.1.1. Análisis Estático ..................................................................................... 364
4.1.2. Bastidor del Sistema Robótico ............................................................... 366
4.1.3. Análisis Cuasi-Estático........................................................................... 367
4.2. Diseño Funcional ........................................................................................... 369
4.2.1. Sistema Eje ............................................................................................. 369
4.2.2. Conexiones Atornilladas entre Sistema Eje y Bastidor.......................... 375
4.2.3. Conexiones Atornilladas entre Eslabones y Conectores ........................ 375
4.2.4. Pasador Radial entre Sistema Eje 1 y Eje 2............................................ 376
4.2.5. Transmisión de Potencia que Proporciona Giro al Eslabón 2 ................ 376
4.3. Propuesta de la Solución a Nivel FEM y Funcional...................................... 383
4.3.1. Propuesta de la Solución a Nivel FEM................................................... 383
4.3.2. Propuesta de la Solución a Nivel Funcional........................................... 383
5. Conclusión............................................................................................................. 384
6. Trabajos Citados.................................................................................................... 385
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