Metodología de diseño de reguladores de posición y fuerza para robots flexibles de un grado de libertad basada en platitud.

Resumen

En la década de los 70, surgen los robots flexibles en el campo de la ingeniería, y con ellos una nueva filosofía que da lugar a nuevas aplicaciones, la mayoría de ellas en la industria aeroespacial. Las características que originan el empleo de tales robots son la ligereza y la flexibilidad. Esto se traduce en menor peso y volumen en la estructura, y como consecuencia, en menor consumo de energía. El hecho de que se empleen materiales más ligeros origina una estructura más flexible, la cual puede presentar grandes vibraciones al ser sometida a pequeñas perturbaciones. Es por ello que resulta necesario emplear algoritmos de control específicos, capaces de cancelar las vibraciones. Pero, además, existen otras ventajas fundamentales que hacen que este tipo de robots puedan ser empleados, con mayor versatilidad y seguridad, que los robots rígidos. Tales son el aumento de la ligereza y la disminución de la inercia. Estas características permiten que los manipuladores puedan emplearse en tareas de contacto con cualquier tipo de objeto, especialmente, aquellos frágiles o fácilmente deformables, debido a que la gran flexibilidad de este tipo de robots permite absorber la energía del impacto. En esta tesis, se analiza el comportamiento dinámico de los robots flexibles de un grado de libertad y se estudian posibles soluciones para los problemas más relevantes que presentan estos sistemas en el ámbito científico-técnico. Se desarrollan algoritmos de control para la cancelación activa de las vibraciones de los robots flexibles de un grado de libertad y para controlar la fuerza que ejerce el robot cuando entra en contacto con una superficie. El tipo de controladores utilizados requieren el conocimiento de los parámetros físicos del sistema, por lo que se utilizan estimadores algebraicos para poder realizar una estimación de sus valores reales. Una vez conocidos los valores de los parámetros que rigen el comportamiento físico del sistema, pueden diseñarse los controladores. Son varios los algoritmos diseñados en esta tesis. Entre los controladores de posición destacan: el control de posición proporcional integral generalizado (gpi) #por sus siglas en ingles generalizad proporcional integral-, el control gpi adaptativo ante cambios de masa en el extremo y el control robusto al efecto que producen los modos superiores de vibración no tenidos en cuenta en el modelado dinámico del eslabón flexible, denominado spillover o deslizamiento (una estructura flexible está compuesta por infinitos modos de vibración; sin embargo, al aumentar la frecuencia de los mismos disminuye su amplitud, por lo que se pueden considerar los más significativos y despreciar el resto). Este efecto puede llegar a desestabilizar sistemas que son estables de forma teórica. Entre los controladores de fuerza (par) destacan dos: el control de fuerza en movimiento libre (cuando el robot se mueve libremente sin colisionar con ningún objeto ni someterse a ninguna restricción en su movimiento natural) y el control de fuerza en movimiento restringido (tras colisionar con una superficie). Todos estos controladores son desarrollados, simulados y experimentados, siendo, asimismo, combinados los de posición y de fuerza para dar lugar a un nuevo algoritmo de control combinado de posición-fuerza, capaz de controlar la posición de un robot flexible y aplicar una fuerza concreta tras impactar con una superficie.