Diseño, modelado e identificación de parámetros geométricos de sistemas de posicionamiento basados en cinemática paralela

Résumé

En esta tesis se presenta una nueva metodología para el diseño de un sistema de posicionamiento de dos grados de libertad (azimut y elevación), basado en cinemática paralela, así como la modelización y calibración del mecanismo. Inicialmente, se realiza un prediseño de un prototipo y se desarrollan los modelos cinemáticos, inverso y directo, que permiten hallar la relación existente entre las variables de articulación y la posición y orientación del efector final o plataforma. Se ha desarrollado una nueva metodología para optimizar dicho diseño. La metodología desarrollada permite cumplir las especificaciones de partida dotando al mecanismo de la mayor resolución posible para unos componentes determinados. En la primera fase se calculan los parámetros geométricos que permiten trabajar con la máxima resolución posible para unos sensores determinados, considerando criterios tales como evitar las singularidades correspondientes a las restricciones físicas de los actuadores y disminuir el tamaño del mecanismo. De esta manera, se obtiene una configuración final para los anclajes de las rótulas. En la segunda fase, el objetivo es solventar una de las desventajas de los mecanismos paralelos: su reducido espacio de trabajo. Para ello, se calculan los parámetros de diseño, para la configuración obtenida en la etapa previa, que permiten incrementar el espacio de trabajo y alcanzar las especificaciones iniciales. La aplicación de esta metodología permitirá mejorar las características del sistema de posicionamiento final. Una vez que se ha optimizado el diseño, se fabrica el mecanismo y se realiza una caracterización tanto de los componentes del sistema de posicionamiento (rótulas esféricas y actuadores) como del mecanismo completo. En la calibración del mecanismo se realiza la captura de datos, se modifica el modelo cinemático en base al diseño final desarrollado y se realiza la identificación de parámetros cinemáticos. El problema cinemático se resuelve utilizando un algoritmo numérico desarrollado mediante programación paralela o multihilo. Posteriormente, se evalúan los parámetros obtenidos en la fase de identificación para evaluar el error final obtenido por el mecanismo y se comparan con el comportamiento inicial del sistema al utilizar los parámetros estimados. Finalmente, se presenta una alternativa al diseño desarrollado mediante la sustitución de la rótula universal de precisión diseñada por una unión flexible. Para ello, se determinan los parámetros geométricos del elemento flexible para que cumpla con las especificaciones de partida, en cuanto a ángulos de giro y dimensiones, y se analizan diferentes alternativas de geometría y configuración. Se realizan simulaciones mediante un software de cálculo de elementos finitos y se realiza la caracterización geométrica de variación de ejes de giro reales. Los resultados experimentales obtenidos en la evaluación del mecanismo, una vez realizada la identificación de parámetros cinemáticos, muestran una mejora notable del comportamiento del sistema de posicionamiento. Los métodos presentados en este trabajo se han desarrollado para un sistema de medición que consta de dos unidades de posicionamiento con dos cámaras de visión cada una.