TESIS
Integración simultánea de aspectos cinemáticos y dinámicos para el diseño óptimo de un dispositivo para rehabilitación de muñeca
Fecha
2019-11-25Registro en:
Aponte Rodríguez, Jorge Alexander. Integración simultánea de aspectos cinemáticos y dinámicos para el diseño óptimo de un dispositivo para rehabilitación de muñeca. (Doctorado en Ingeniería de Sistemas Robóticos y Mecatrónicos), Instituto Politécnico Nacional, Centro de Innovación y Desarrollo Tecnológico en Cómputo, México.
Autor
Aponte Rodríguez, Jorge Alexander
Institución
Resumen
RESUMEN:En esta tesis se presenta la metodología de diseño concurrente, abordando de una forma novedosa el problema de diseño óptimo de sistemas mecatrónicos, mediante la integración del análisis estructural en dicha metodología. Esto implica considerar de manera simultánea en el proceso de diseño los criterios de rigidez, análisis de esfuerzos, vida útil y selección de materiales. Todo ello requiere del planteamiento de un problema de optimización numérica de tipo mixto con restricciones, que incluya estos aspectos donde se optimice la masa total del sistema en análisis. Adicionalmente, el problema de optimización se resuelve utilizando un algoritmo evolutivo, modificado de acuerdo a los requerimientos de esa clase de problemas. Como caso de estudio se realiza el proceso de diseño conceptual de un dispositivo para rehabilitación de muñeca con un espacio de trabajo tri-dimensional, utilizando la técnica del despliegue en función de la calidad; el enfoque de diseño concurrente se refleja en el desarrollo en paralelo del diseño estructural de detalle y los modelados cinemático y dinámico. Ambos modelos se utilizan para el montaje de una maqueta virtual que sirve para el ajuste del control del sistema a través de la simulación. Como resultado de la aplicación de la metodología propuesta se obtuvo el diseño detallado de un sistema de rehabilitación capaz de realizar movimientos en tres ejes mutuamente perpendiculares, con la posibilidad de accionar tales movimientos en forma individual o combinada, de acuerdo a los requerimientos particulares de la terapia física establecida por el especialista.
ABSTRACT: In this thesis the concurrent design methodology is presented, addressing in a novel way the problem of optimal design of mechatronic systems, by integrating the structural analysis in such methodology. This implies considering simultaneously in the design process the stiffness criteria, stress analysis, useful life and material selection. All these require the statement of a constrained mixed-type numerical optimization problem that includes those aspects to optimize the total mass of the analyzed system. Additionally, the optimization problem is solved by using an evolutive algorithm, modifiéd accordingly to the requirements related to those kind of problems. As a case study the conceptual design process of a wrist rehabilitation device with a tridimensional workspace, using the Quality Function Deployement technique is carried out. The concurrent design approach is reflected in the parallel development of the detailed structural design and the kinematical and dynamical modelings. Both models are used for implementing a simulation for adjusting the system control. As a result of the application of the proposed methodology a detailed design of a rehabilitation system capable of moving in three mutually perpendicular axes was obtained, with the possibility to activate such movements in an individual or a combined way, in correspondence to the particular requirements of the physical therapy established by an specialist.