Metodología para el desarrollo de un manipulador móvil autónomo con características antropométricas

摘要

El desarrollo de esta tesis se enmarca en el proyecto MANFRED (MAN FRiEnDly mobile manipulator) desarrollado por el Grupo de Manipuladores Móviles del Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática en la Universidad Carlos III de Madrid. El objetivo de este proyecto es la construcción de un robot manipulador móvil antropomórfico de servicios avanzado capaz de operar en entornos típicamente diseñados para humanos. Para lograr este objetivo la robustez, fiabilidad y seguridad, han sido requisitos fundamentales para que el robot pueda desarrollar su tarea de forma adecuada en entornos compartidos con seres humanos, sin necesidad de modificar el espacio de trabajo. En esta tesis se tratan especialmente los aspectos relacionados con el diseño mecánico de un brazo manipulador robótico de 6 grados de libertad conocido como UC3M-LWR-1, imprescindible para llevar a cabo las tareas de manipulación y colaboración con personas. Para ello, se ha llevado a cabo el diseño y construcción de un brazo manipulador de baja inercia, pero con una capacidad de carga y alcance lo más parecido posible a los de un brazo humano. En la etapa de diseño ha sido necesario realizar un estudio antropométrico que permitiera establecer los parámetros de alcance así como los rangos articulares del brazo humano, de manera que pudieran ser imitados, en la medida de lo posible, por el diseño del manipulador objeto de esta tesis. Por otra parte, también se presenta el estudio realizado de los distintos materiales constructivos, así como de los componentes comerciales que se habrían de emplear en la construcción del brazo manipulador. De esta manera se pretendía lograr la mayor ligereza posible de la estructura, ya que este aspecto repercute directamente en la seguridad para los seres humanos que pudieran compartir el espacio de trabajo con el manipulador, disminuyendo la inercia en situaciones de choques accidentales. Además, un diseño ligero confiere al brazo manipulador una mayor versatilidad ya que le permite manipular objetos más pesados y por tanto amplía el número de tareas que puede realizar. Por otra parte, en la fase de diseño previa a la construcción del brazo manipulador, se han tenido en cuenta otros aspectos de gran relevancia cuando hablamos de diseñar un prototipo, cuyo último fin es que pueda llegar a ser algún día comercializado, como son el aspecto económico, en cuanto al coste de los elementos constitutivos del mismo, los procesos de mecanizado necesarios para la construcción de la estructura, así como el aspecto estético del diseño tratando en todo momento de que no resultase agresivo visualmente. Finalmente, se presentan los análisis, tanto cinemático como dinámico, junto con las simulaciones realizadas para una tarea concreta como es la apertura de una puerta. Estos análisis han permitido validar el diseño mecánico del brazo manipulador y al mismo tiempo detectar y corregir aquellos defectos del diseño, previamente a su construcción. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------