ESTUDIO Y SIMULACIÓN DEL COMPORTAMIENTO A RESISTENCIA Y A FATIGA DE UN BRAZO ROBOTIZADO LIMPIADOR

Merino Llorente, M.^2p; Lara Feria, A.¹; Pérez Rueda, M.A.³; Calvo Fernández, A.⁴.

RESUMEN

En el campo de la robótica y haciendo uso del diseño asistido por ordenador, se ha procedido al estudio del comportamiento y simulación frente al fallo estático y al fallo por fatiga mecánica de un brazo robotizado para la limpieza bajo vehículos estacionados acoplable a una máquina barredora convencional.

Este estudio se ha desarrollado teniendo en cuenta tanto las características de funcionamiento, como las necesidades del brazo robotizado y la cinemática del mismo. Para ello se ha utilizado el programa informático de diseño, I-DEAS (Integrated Desing Engineering Analysis Software), que ha constituido la herramienta con la que realizar la simulación y evaluar las capacidades de sus elementos en el desempeño de la función propuesta dentro de diversos estados de cargas, y utilizando varios modelos del sistema próximos al estado real.

Las condiciones de análisis han sido aquellas para las cuales el brazo limpiador trabaja bajo la máxima solicitación posible, sometido a las fuerzas producidas por las mayores condiciones cinemáticas de diseño, y aguantando las mayores fuerzas exteriores permitidas.

Los resultados obtenidos en cada ensayo son los desplazamientos y las tensiones, a partir de los cuales se determinan los coeficientes de fallo por rotura y por fatiga, aplicando los distintos criterios de fallo. Se comparan los resultados obtenidos en cada modelo y se evalúa la capacidad del conjunto para realizar ese trabajo de forma segura en el ámbito de trabajo ensayado.

1. INTRODUCCIÓN.

La robótica ha experimentado en los últimos años un crecimiento importante, siendo insustituible en los procesos de fabricación, constituyendo una herramienta imprescindible en muchos sectores. Sin embargo, una de las áreas en las que la robótica quiere avanzar, por su escasa aplicación, es en el campo de la limpieza urbana. Con los robots se pueden realizar operaciones más complejas, que con simples elementos mecánicos no podrían realizarse, ya que las partes de la calzada destinadas al aparcamiento de vehículos, rara vez se encuentran libres y, por tanto, no son accesibles a las máquinas barredoras convencionales.

Un aspecto muy importante en el estudio de mecanismos es la fatiga mecánica, su análisis es de vital importancia. Debido a que el principal problema de la fatiga es que se produce el fallo de la pieza repentinamente, una deformación previa, es importante hacer un estudio preliminar de la fatiga mecánica en los robots con el fin de evitar posibles accidentes y averías, es decir, diseñar sabiendo cuando se va a producir la fractura por fatiga.

Dada la gran importancia y desarrollo las herramientas informáticas encaminadas a la resolución de problemas complejos, se ha hecho uso de dichas herramientas de cálculo en la resolución de este trabajo que ha consistido en el diseño, simulación y estudio del comportamiento de un brazo robotizado para la limpieza urbana. De esta forma se evita tener que realizar prototipos y ensayos, lo cual conlleva un considerable ahorro económico de tiempo y dinero.

2. OBJETIVOS Y DESARROLLO DEL TRABAJO.

En este proyecto, dentro de la línea de investigación de robótica del laboratorio de Mecánica del departamento de Ingeniería Mecánica e Ingeniería de Materiales, se ha realizado el diseño, estudio del comportamiento y simulación frente al fallo estático y al fallo por fatiga mecánica de un brazo robotizado para la limpieza bajo vehículos estacionados acoplable a una máquina barredora convencional, atendiendo a la cinemática del mismo.

Este estudio se ha desarrollado teniendo en cuenta tanto las características de funcionamiento como las necesidades del brazo robotizado. Para ello se ha empleado el programa informático de diseño, I-DEAS.

También se han considerado como objetivos adyacentes y simultáneos, la aplicación de la robótica al campo de la limpieza urbana, en el caso particular de la limpieza bajo vehículos estacionados, y el estudio de la validez de la herramienta informática para este tipo de trabajos.

Las condiciones de análisis serán aquellas donde el brazo trabaja bajo las condiciones de máxima solicitación posible, las cuales se encontrarán con los elementos constituyentes totalmente desplegados, sometidos a las fuerzas producidas por las mayores condiciones cinemáticas de diseño y aguantando las mayores fuerzas exteriores permitidas.

Haciendo uso del método de los elementos finitos, se han calculado las tensiones y deformaciones a las que están sometidos cada uno de los elementos del brazo robotizado bajo dichas solicitaciones. Y aplicando los distintos criterios de fallo por rotura y fallo por fatiga mecánica se determinan las capacidades de estos elementos en el ámbito de trabajo ensayado.

A partir del estudio anterior, se han analizado los resultados prácticos de los diferentes modelos de aproximación a la situación real que se han obtenido utilizando el programa I-DEAS. También se comparan los valores que se han obtenido en las piezas estudiadas por separado con los que se han obtenido en el estudio del brazo ensamblado. Y por último, se ha realizado un estudio con la utilización de distintos materiales y una evaluación de éstos como materiales constitutivos de los elementos.

3. DESCRIPCIÓN DEL BRAZO ROBOTIZADO.

Las piezas principales del brazo robotizado, que se muestra en la figura 1, son:

• Base del brazo. Es la pieza sobre la que descansa todo el peso. Está dotada de anclajes para ser amarrado firmemente al vehículo.
• Cuerpo central. El principal objetivo del cuerpo consistirá en permitir, por un lado que exista una posición de descanso para el brazo cuando no trabaje, y por otro que pueda ejercer distinta presión sobre el pavimento según las necesidades.

• Amarre de los tubos. Servirá para transmitir el movimiento del cuerpo entero a los tubos telescópicos. A su vez proporciona un giro a los tubos barredores en la base de los mismos.
• Tubos telescópicos. Son tres: el primero conecta directamente con el amarre y transmite el movimiento de rotación al resto de los tubos; el segundo se traslada a través de un movimiento longitudinal respecto al anterior y va unido al tercero por el otro extremo; el tercero presenta otro movimiento de traslación respecto a él, y en su punta tiene un cepillo rotatorio.
• Cepillo circular. Tiene un mecanismo de accionamiento incorporado para obtener la forma de limpieza deseada.

Los tubos van provistos de un cepillo en su parte inferior, para arrastrar las partículas en el recorrido del brazo. Este brazo posee 6 grados de libertad, 3 giros y 3 traslaciones. Sin embargo, en el proceso de barrido hay que añadir el desplazamiento de la máquina barredora.

Figura 1 - Brazo barredor.

4. SIMULACIÓN Y RESULTADOS OBTENIDOS.

4.1. Hipótesis adoptadas.

Los requerimientos cinemáticos iniciales, especificaciones de velocidades y aceleraciones, que se han tenido en cuenta a la hora de realizar el diseño del brazo y que han determinado las condiciones de máxima solicitación, sobre las que posteriormente se han realizado los estudios han sido: continuidad en el barrido, recogida de los residuos barridos y detección automática de los parámetros de trabajo.

El análisis se ha realizado para una tarea de limpieza en la que el brazo robotizado limpiador se encuentra en las condiciones de máxima exigencia permitidas de trabajo. Los requisitos que supone tales solicitaciones son los siguientes:

• El brazo se encuentra totalmente extendido.
• El estudio de fuerzas realizado es simétrico totalmente al caso de utilizar los brazos ensayados para limpiar el otro lado de la calzada. La existencia de los brazos auxiliares de absorción de deshechos en la parte protegida del brazo al choque, hace necesario poner un brazo a cada lado del vehículo limpiador.
• El brazo se encuentra sometido a las máximas aceleraciones, tanto longitudinales como rotacionales permisibles.
• Al establecer las condiciones de contorno de las diferentes piezas, se ha supuesto que la unión de una pieza con la siguiente es rígida.
• Tanto las fuerzas como los momentos se han establecido como cargas por unidad de superficie.
• En la simulación no se ha tenido en cuenta la existencia de los tubos auxiliares de absorción debido fundamentalmente a su poco peso.

4.2. Pasos seguidos.

Los pasos que se han seguido en la realización de la aplicación práctica utilizando el programa I-DEAS han sido:

1. Dibujo de las diferentes piezas. Se han dibujado las diferentes piezas del brazo robotizado, que se han ensamblado para formar un único conjunto.
2. Creación de un modelo de elementos finitos. Se crea un modelo asociado a la pieza a estudiar, en el cual se establece el material de la pieza.
3. Establecimiento de cargas y condiciones de contorno. Se indica la magnitud de las cargas aplicadas y la superficie donde se aplican. Se establecen superficies y grados de libertad restringidos por las condiciones de contorno.
4. Mallado de las piezas. En ella se establecen el tipo de mallado, el tipo de elementos y el tamaño de los mismos.
5. Comprobación del mallado realizado. Se comprueban los diferentes errores que pueda tener la malla generada.
6. Resolución del modelo. Se establece la fase de resolución, indicando la forma de tratar la matriz de rigidez, el tipo de análisis a realizar, los resultados que se desean obtener, y las cargas y condiciones de contorno que se van a utilizar.
7. Comprobación de errores de resolución. Se analizan errores en la fase de resolución.
8. Análisis de los resultados. Se pueden visualizar los resultados de tensiones y deformaciones obtenidos en el análisis mediante mapas de colores. Además de obtener su valor numérico, y aquellas zonas donde se dan los valores extremos.
9. Estudio de la fatiga. A partir de las tensiones obtenidas, se analiza el comportamiento a fatiga, introduciendo las tensiones extremas en el movimiento.

4.3. Descripción de los casos de cargas.

Se han considerado dos estados de carga diferentes:

• Caso "carga 1". Esfuerzo de limpieza distribuido en todo el brazo limpiador. Es el caso en que el brazo arrastra una cantidad de deshechos de unos 2 Kg uniformemente distribuida a lo largo de toda su longitud, y sufre un rozamiento con el suelo equivalente a 4 Kg uniformemente distribuido a lo largo del brazo.
• Caso "carga 2". Esfuerzo de limpieza concentrado en el punto extremo del brazo. Equivale al arrastre de una masa puntual de 3,16 Kg, como suma de arrastre y rozamiento cepillo-suelo.

4.4. Modelos ensayados y resultados.

Se han considerado varios modelos, teniendo en cuenta los estados de carga, sobre los que se ha realizado el estudio del comportamiento y la simulación. Por un lado se ha tomado el brazo limpiador en conjunto y por otro los distintos tubos. Se han probado distintos materiales: acero, aluminio y nylon.

Para cada modelo, los resultados que se han obtenido son las tensiones máximas y mínimas, así como los desplazamientos máximos y mínimos, que se representan gráficamente en mapas de colores (Figuras 2 y 3). Además se determinan los coeficientes de seguridad a partir de las diferentes teorías (esfuerzo normal máximo, deformación normal máxima, esfuerzo cortante y Von Mises). Y por último se calcula el daño acumulado y los ciclos hasta fatiga.

Figura 2 - Tensiones sobre el modelo conjunto.

Figura 3 - Desplazamientos sobre el modelo conjunto.

5. CONCLUSIONES.

Las principales conclusiones, tras el estudio y análisis tanto estático como a fatiga de los elementos del brazo robotizado limpiador, se resumen en:

• Al ir avanzando en las condiciones de los modelos de los elementos individuales del brazo robotizado, éstos han dado resultados cada vez más cercanos a los correspondientes al modelo ensamblado y en el proceso se ha visto la influencia de las distintas condiciones impuestas en cada uno de ellos. Se ha de destacar la despreciable influencia de la variación de la distribución de la fuerza de rozamiento respecto a los demás esfuerzos que actúan sobre el brazo.
• El análisis estático revela que el brazo construido con acero es seguro frente a rotura con coeficientes de seguridad elevados, nunca por debajo de 4. Gracias a esto, el mecanismo se encuentra preparado para recibir sobrecargas inesperadas.
• El análisis de fatiga indica que el brazo robotizado del material considerado a priori tendrá vida infinita siempre y cuando realice la tarea especificada.
• En cuanto a la construcción de los elementos con otros materiales, el aluminio disminuye considerablemente las características del material, tanto en coeficientes de seguridad frente a rotura como en la vida útil del brazo. En el ensayo del brazo constituido de nylon se ha deducido que se dan deformaciones incompatibles con la exactitud del funcionamiento del mecanismo de accionamiento.

6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.

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[7] Rao, S.S.; "The finite element method in engineering". Pergamon Press, 1981.

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[13] Exploring I-DEASÔ Simulation: Finite Element Modeling, Model Solution and Optimization. Volume I y II. Structural Dynamics Research Corporation, 1998.

7. CORRESPONDENCIA.

Merino Llorente, Marta

Depto. de Ingeniería Mecánica e Ingeniería de Materiales. Universidad de Valladolid.

E.T.S. de Ingenieros Industriales. Paseo del cauce s/n. 47011 Valladolid

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