Modelado dinámico del impacto hombre-robot. Aplicación al diseño de actuadores de rigidez variable para robots de servicio
- Autores: Javier López Martínez
- Directores de la Tesis: Antonio Gimenez Fernandez (dir. tes.), Alberto Jardón Huete (codir. tes.), Daniel García Vallejo (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Almería ( España ) en 2014
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Manuel Ferre Pérez (presid.), Angel Jesús Callejón Ferre (secret.), Antonio González Herrera (voc.)
- Materias:
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- Resumen
El mayor peligro de los robots que comparten el espacio de trabajo con el hombre reside en la posibilidad de una colisión inesperada con éste. Nuevos esquemas de control, sensores de proximidad y contacto, o sistemas de visión permiten reducir los riesgos de una situación incontrolada. Sin embargo, estas estrategias no son completamente seguras, ya que también están sujetas a un fallo en su funcionamiento. Por tanto, se necesitan sistemas intrínsecamente seguros que permitan garantizar la seguridad incluso en caso de un fallo general del sistema. Los primeros trabajos realizados en este sentido consideran la utilización de los denominados actuadores de rigidez variable, de coberturas blandas, o de eslabones flexibles, principalmente. Estos sistemas buscan reducir la fuerza generada en un impacto mediante la adición de un mayor grado de flexibilidad en la estructura del robot.
En esta tesis se ha hecho una revisión de los mecanismos y de los criterios de daño en la cabeza de una persona junto con la mecánica del conjunto cabeza-cuello, de los modelos matemáticos empleados para la simulación del impacto, y de los sistemas mecánicos para la mejora de la seguridad. Se ha propuesto un nuevo modelo matemático del impacto brazo robot-cabeza humana y se ha estudiado la influencia de los parámetros de diseño del robot en el daño sobre la cabeza de una persona y sobre el propio robot. Se han diseñado dos sistemas mecánicos de seguridad y se ha evaluado su funcionamiento en diversos ensayos de impacto.
El modelo multicuerpo del impacto entre un brazo robot y una cabeza humana incluye, como principal contribución, la representación del eslabón del robot como un sólido flexible, donde se ha hecho uso de la formulación en referencias flotantes. El conjunto cabeza-cuello se ha simplificado a un modelo de 1 g.d.l., el cual permite reproducir con suficiente aproximación la dinámica de la cabeza tras un impacto. Como modelo de contacto entre el brazo robot y la cabeza se han utilizado los modelos constitutivos de Avalle et al. y Rusch para simular el comportamiento viscoelástico de los materiales celulares blandos.
El modelo matemático se ha validado experimentalmente en un banco de pruebas diseñado y construido para este fin, y se ha utilizado para estudiar la contribución de los parámetros característicos del robot en el daño ocasionado en un impacto. Estos parámetros fundamentales son: la velocidad relativa entre el robot y la cabeza en el momento del contacto, la inercia del eslabón, la inercia del rotor, el comportamiento viscoelástico de la cobertura, la flexibilidad articular, y la flexibilidad del eslabón. Como criterios de daño sobre la cabeza se han utilizado el HIC36 y la tolerancia a la fractura de los huesos del cráneo. Para evaluar el riesgo de fallo mecánico del robot se ha empleado como medida del daño el par máximo reflejado en la articulación, donde los sistemas de transmisión de los actuadores son objeto de fuertes sobrecargas en un impacto.
Como aportación a los sistemas mecánicos de seguridad, en este trabajo se ha diseñado y ensayado un nuevo actuador de rigidez variable, cuyo diseño conceptual lo diferencia del resto de actuadores conocidos. Junto con el elevado rango de rigideces que puede adoptar, superior al de otros actuadores de su tipo, una singularidad del nuevo actuador AVASTT es la presencia de un par umbral ajustable.
Por último, se ha propuesto un nuevo sistema de seguridad consistente en un acoplamiento flexible que divide el eslabón del brazo robot en dos mitades. Este nuevo mecanismo de seguridad permite que el eslabón se mantenga totalmente rígido mientras no se sobrepase un cierto valor de carga umbral preestablecido, siendo este umbral ajustable según las necesidades particulares de la operación a realizar por el robot y los requisitos de seguridad.
