Plataforma Stewart

Tipo de manipulador paralelo

Hexápodo durante la exposición " Army-2021 ".

Una plataforma Stewart es un tipo de manipulador paralelo que tiene seis actuadores prismáticos , comúnmente gatos hidráulicos o actuadores lineales eléctricos , unidos en pares a tres posiciones en la placa base de la plataforma, cruzándose a tres puntos de montaje en una placa superior. Las 12 conexiones se realizan mediante juntas universales . Los dispositivos colocados en la placa superior se pueden mover en los seis grados de libertad en los que es posible que se mueva un cuerpo suspendido libremente: tres movimientos lineales x, y, z (lateral, longitudinal y vertical) y las tres rotaciones (cabeceo, balanceo y guiñada).

Las plataformas Stewart se conocen por varios otros nombres. En muchas aplicaciones, incluidos los simuladores de vuelo, se las conoce comúnmente como base de movimiento . ^[1] A veces se las denomina plataforma de seis ejes o plataforma de 6 grados de libertad debido a sus posibles movimientos y, debido a que los movimientos se producen mediante una combinación de movimientos de múltiples actuadores, se las puede denominar plataforma de movimiento sinérgico , debido a la sinergia (interacción mutua) entre la forma en que se programan los actuadores. Debido a que el dispositivo tiene seis actuadores, a menudo se lo denomina hexápodo (seis patas) en el uso común, un nombre que originalmente fue registrado por Geodetic Technology ^[2] para las plataformas Stewart utilizadas en máquinas herramienta . ^[3]

Historia

Este diseño especializado de seis conectores fue utilizado por primera vez por VE (Eric) Gough del Reino Unido y estuvo operativo en 1954. ^[4] El diseño se hizo público más tarde en un artículo de 1965 de D. Stewart para la Institución de Ingenieros Mecánicos del Reino Unido . ^[5] En 1962, antes de la publicación del artículo de Stewart, el ingeniero estadounidense Klaus Cappel desarrolló de forma independiente el mismo hexápodo. Klaus patentó su diseño y lo licenció a las primeras empresas de simuladores de vuelo, y construyó los primeros simuladores de movimiento de hexápodos octaédricos comerciales. ^[6]

Aunque el título de plataforma Stewart se utiliza comúnmente, algunos han postulado que plataforma Gough-Stewart es un nombre más apropiado porque la plataforma Stewart original tenía un diseño ligeramente diferente, ^[7] mientras que otros argumentan que se deben reconocer las contribuciones de los tres ingenieros. ^[6]

Actuación

Actuación lineal

En aplicaciones industriales, los actuadores lineales (hidráulicos o eléctricos) se utilizan normalmente por su solución de forma cerrada de cinemática inversa simple y única y su buena resistencia y aceleración.

Accionamiento rotatorio

Para la creación de prototipos y aplicaciones de bajo presupuesto, se suelen utilizar servomotores rotativos. También existe una solución única de forma cerrada para la cinemática inversa de los actuadores rotativos, como demostró Robert Eisele ^[8].

Aplicaciones

Las plataformas Stewart tienen aplicaciones en simuladores de vuelo, tecnología de máquinas-herramientas, animatrónica , tecnología de grúas, investigación submarina, simulación de terremotos, rescate aire-mar, toros mecánicos , posicionamiento de antenas parabólicas, el Hexapod-Telescope , robótica y cirugía ortopédica.

Simulación de vuelo

Una plataforma Stewart en uso por Lufthansa

El diseño de la plataforma Stewart se utiliza ampliamente en simuladores de vuelo , particularmente en el simulador de vuelo completo que requiere los 6 grados de libertad. Esta aplicación fue desarrollada por Redifon , cuyos simuladores que la incorporaban estuvieron disponibles para el Boeing 707, Douglas DC-8, Sud Aviation Caravelle , Canadair CL-44 , Boeing 727 , Comet, Vickers Viscount , Vickers Vanguard , Convair CV 990 , Lockheed C-130 Hercules , Vickers VC10 y Fokker F-27 en 1962. ^[9]

En esta función, la carga útil es una réplica de la cabina y un sistema de visualización, normalmente de varios canales, para mostrar la escena visual del mundo exterior a la tripulación de la aeronave que está siendo entrenada.

Se utilizan plataformas similares en simuladores de conducción , normalmente montadas sobre grandes mesas XY para simular la aceleración a corto plazo. La aceleración a largo plazo se puede simular inclinando la plataforma, y un área de investigación activa es cómo combinar ambas.

Grúa robótica

James S. Albus, del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), desarrolló el Robocrane , donde la plataforma cuelga de seis cables en lugar de estar sostenida por seis conectores.

La máquina de prueba de neumáticos de Eric Gough, que es una plataforma Stewart con grandes gatos

TAPAS

El sistema de acoplamiento de bajo impacto desarrollado por la NASA utiliza una plataforma Stewart para manipular los vehículos espaciales durante el proceso de acoplamiento.

CAREN

El entorno de rehabilitación asistido por computadora desarrollado por Motek Medical utiliza una plataforma Stewart acoplada a la realidad virtual para realizar investigaciones biomecánicas y clínicas avanzadas. ^[10]

Marco espacial de Taylor

El Dr. J. Charles Taylor utilizó la plataforma Stewart para desarrollar el Taylor Spatial Frame , ^[11] un fijador externo utilizado en cirugía ortopédica para la corrección de deformidades óseas y el tratamiento de fracturas complejas.

Pruebas mecánicas

Primera aplicación: Eric Gough era ingeniero automotriz y trabajaba en Fort Dunlop , la fábrica de neumáticos Dunlop en Birmingham , Inglaterra. ^[12] Desarrolló su "Máquina de prueba de neumáticos universal" (también llamada "Plataforma universal") en la década de 1950 y su plataforma estuvo operativa en 1954. ^[4] La plataforma podía probar mecánicamente neumáticos bajo cargas combinadas. El Dr. Gough murió en 1972, pero su plataforma de prueba continuó utilizándose hasta fines de la década de 1980, cuando la fábrica se cerró y luego se demolió. Su plataforma se salvó y se transportó al Museo de Ciencias de Londres, instalación de almacenamiento en Wroughton, cerca de Swindon.
Aplicaciones recientes: el renacimiento del interés por una máquina de pruebas mecánicas basada en la plataforma Gough-Stewart se produjo a mediados de los años 90. ^[13] A menudo son aplicaciones biomédicas (por ejemplo, estudio de la columna vertebral ^[14] ) debido a la complejidad y gran amplitud de los movimientos necesarios para reproducir el comportamiento humano o animal. Tales requisitos también se encuentran en el campo de la ingeniería civil para la simulación sísmica. Controladas por un algoritmo de medición cinemática de campo completo, estas máquinas también se pueden utilizar para estudiar fenómenos complejos en muestras rígidas (por ejemplo, la propagación curva de una grieta a través de un bloque de hormigón ^[15] ) que necesitan altas capacidades de carga y precisión de desplazamiento.

Compensación de movimiento

Traslado de personal desde una construcción offshore mediante un sistema Ampelmann

El sistema Ampelmann es una pasarela con compensación de movimiento que utiliza una plataforma Stewart. Esto permite el acceso desde un buque de suministro con plataforma móvil a construcciones en alta mar incluso en condiciones de fuerte oleaje.

Véase también

Referencias

^ Becerra-Vargas, Mauricio; Morgado Belo, Eduardo (2012). "Aplicación de la teoría H∞ a la base de movimiento de un simulador de vuelo de 6 grados de libertad". Revista de la Sociedad Brasileña de Ciencias Mecánicas e Ingeniería . 34 (2): 193–204. doi : 10.1590/S1678-58782012000200011 .
^ Robots paralelos - Segunda edición de JP Merlet (p. 48)
^ Investigación Fraunhofer: Robot hexápodo para cirugía de columna
^ ab Gough, VE (1956–1957). "Contribución a la discusión de artículos sobre investigación en estabilidad, control y rendimiento de neumáticos de automóviles". Proc. Auto Div. Inst. Mech. Eng. : 392–394.
^ Stewart, D. (1965–1966). "Una plataforma con seis grados de libertad". Actas de la Institución de Ingenieros Mecánicos . 180 (1, N.º 15): 371–386. doi :10.1243/pime_proc_1965_180_029_02.
^ ab Bonev, Ilian. "Los verdaderos orígenes de los robots paralelos" . Consultado el 24 de enero de 2020 .
^ Lazard, D.; Merlet, J. -P. (1994). "La plataforma Stewart (real) tiene 12 configuraciones". Actas de la Conferencia Internacional IEEE de 1994 sobre Robótica y Automatización . p. 2160. doi :10.1109/ROBOT.1994.350969. ISBN 978-0-8186-5330-8.S2CID6856967 .
^ Robert Eisele (24 de febrero de 2019). «Cinemática inversa de una plataforma Stewart» . Consultado el 25 de octubre de 2023 .
^ "1962 | 1616 | Archivo de vuelo". Archivado desde el original el 6 de marzo de 2016.
^ Entorno de rehabilitación asistido por computadora (CAREN)
^ "J. Charles Taylor, doctor en medicina"
^ Tompkins, Eric (1981). La historia del neumático. Dunlop. págs. 86, 91. ISBN 978-0-903214-14-8.
^ Michopoulos, John G.; Hermanson, John C.; Furukawa, Tomonari (2008). "Hacia la caracterización robótica de la respuesta constitutiva de materiales compuestos". Composite Structures . 86 (1–3): 154–164. doi :10.1016/j.compstruct.2008.03.009.
^ Stokes, Ian A.; Gardner-Morse, Mack; Churchill, David; Laible, Jeffrey P. (2002). "Medición de una matriz de rigidez de segmentos de movimiento espinal". Revista de biomecánica . 35 (4): 517–521. CiteSeerX 10.1.1.492.7636 . doi :10.1016/s0021-9290(01)00221-4. PMID 11934421.
^ Jailin, Clément; Carpiuc, Andreea; Kazymyrenko, Kyrylo; Poncelet, Martin; Leclerc, Hugo; Hild, François; Roux, Stéphane (2017). "Control de prueba híbrido virtual de grietas sinuosas" (PDF) . Revista de mecánica y física de sólidos . 102 : 239–256. Código Bibliográfico :2017JMPSo.102..239J. doi :10.1016/j.jmps.2017.03.001.

Lectura adicional

Bonev, IA, "Los verdaderos orígenes de los robots paralelos", revisión en línea de ParalleMIC

Enlaces externos

Imagen del prototipo hexápodo octaédrico NIST/Ingersoll
Estructuras hexápodas para cirugía
Hexápodo para la astronomía

[1] Becerra-Vargas, Mauricio; Morgado Belo, Eduardo (2012). "Aplicación de la teoría H∞ a la base de movimiento de un simulador de vuelo de 6 grados de libertad". Revista de la Sociedad Brasileña de Ciencias Mecánicas e Ingeniería . 34 (2): 193–204. doi : 10.1590/S1678-58782012000200011 .

[2] Robots paralelos - Segunda edición de JP Merlet (p. 48)

[3] Investigación Fraunhofer: Robot hexápodo para cirugía de columna

[Gough,_1956-4] Gough, VE (1956–1957). "Contribución a la discusión de artículos sobre investigación en estabilidad, control y rendimiento de neumáticos de automóviles". Proc. Auto Div. Inst. Mech. Eng. : 392–394.

[Stewart,_1965-5] Stewart, D. (1965–1966). "Una plataforma con seis grados de libertad". Actas de la Institución de Ingenieros Mecánicos . 180 (1, N.º 15): 371–386. doi :10.1243/pime_proc_1965_180_029_02.

[Bonev-6] Bonev, Ilian. "Los verdaderos orígenes de los robots paralelos" . Consultado el 24 de enero de 2020 .

[7] Lazard, D.; Merlet, J. -P. (1994). "La plataforma Stewart (real) tiene 12 configuraciones". Actas de la Conferencia Internacional IEEE de 1994 sobre Robótica y Automatización . p. 2160. doi :10.1109/ROBOT.1994.350969. ISBN 978-0-8186-5330-8.S2CID6856967 .

[8] Robert Eisele (24 de febrero de 2019). «Cinemática inversa de una plataforma Stewart» . Consultado el 25 de octubre de 2023 .

[9] "1962 | 1616 | Archivo de vuelo". Archivado desde el original el 6 de marzo de 2016.

[10] Entorno de rehabilitación asistido por computadora (CAREN)

[11] "J. Charles Taylor, doctor en medicina"

[12] Tompkins, Eric (1981). La historia del neumático. Dunlop. págs. 86, 91. ISBN 978-0-903214-14-8.

[13] Michopoulos, John G.; Hermanson, John C.; Furukawa, Tomonari (2008). "Hacia la caracterización robótica de la respuesta constitutiva de materiales compuestos". Composite Structures . 86 (1–3): 154–164. doi :10.1016/j.compstruct.2008.03.009.

[14] Stokes, Ian A.; Gardner-Morse, Mack; Churchill, David; Laible, Jeffrey P. (2002). "Medición de una matriz de rigidez de segmentos de movimiento espinal". Revista de biomecánica . 35 (4): 517–521. CiteSeerX 10.1.1.492.7636 . doi :10.1016/s0021-9290(01)00221-4. PMID 11934421.

[15] Jailin, Clément; Carpiuc, Andreea; Kazymyrenko, Kyrylo; Poncelet, Martin; Leclerc, Hugo; Hild, François; Roux, Stéphane (2017). "Control de prueba híbrido virtual de grietas sinuosas" (PDF) . Revista de mecánica y física de sólidos . 102 : 239–256. Código Bibliográfico :2017JMPSo.102..239J. doi :10.1016/j.jmps.2017.03.001.