Escuela de Ingeniería (TECNUN) - Tesis Doctorales y Tesinas - 2001-2005
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- Diseño de una nueva estrategia de control vectorial para motores lineales de inducción.(2013-10-04) Martínez-Iturralde-Maiza, M. (Miguel); Florez-Esnal, J. (Julián); Garcia-Rico, A. (Andrés)El motor lineal de inducción (LIM) suma a las ya conocidas características de su equivalente rotativo - robustez, facilidad de construcción y bajo costo - todas las ventajas del trabajo como accionamiento directo. Tradicionalmente, las aplicaciones de estos motores han estado más enfocadas al transporte de viajeros y de mercancías. Sin embargo, en los últimos años, a la luz del abaratamiento de la electrónica de potencia y de los microprocesadores, se está abriendo para ellas el campo de las aplicaciones que requieren grandes prestaciones de aceleración, velocidad y precisión. Concretamente, los motores lineales de inducción resultan muy interesantes para aplicaciones industriales donde sea necesario un movimiento lineal alternativo de carrera larga y alta velocidad, donde son muy competitivos debido a su bajo costo. Sin embargo, no existe unanimidad entre investigadores y fabricantes a la hora de decidir cómo se deben controlar este tipo de motores. Los efectos electromagnéticos de borde, provocados principalmente por la asimetría constructiva del motor, no permiten un control eficiente mediante las estrategias convencionales para máquina de inducción rotativa. Por otro lado, los intentos de introducir modelos u observadores de estos fenómenos en los métodos de control, para poder minimizar sus efectos, resultan en estrategias demasiado complejas y normalmente poco robustas, lo cual anula las principales ventajas de este tipo de motores. La presente tesis tiene como objetivo la obtención de un método de control de la velocidad y la posición de los motores lineales de inducción que mejore el estado del arte de las estrategias de control para este tipo de motores. En definitiva, un método de control que proporcione al motor una buena respuesta dinámica, que sea poco sensible a los efectos electromagnéticos propios de estos motores y que sea sencillo de implementar. Para conseguir este objetivo, en primer lugar, se ha realizado un estudio de la influencia de los fenómenos electromagnéticos propios de los motores lineales de inducción en las estrategias de control más representativas. Con este fin, se ha evaluado la variación de los parámetros de un prototipo de motor lineal de inducción con la velocidad y temperatura y, posteriormente, se ha estudiado la sensibilidad de las estrategias de control ante esta variación. Esta información, junto con las especificaciones de partida, ha permitido definir unos criterios de diseño de un nuevo algoritmo de control del flujo electromagnético. Se ha diseñado este algoritmo tanto para operación norma l, como para el caso de saturación de la fuente de alimentación. A continuación, se han diseñado los lazos de control de velocidad y de posición, atendiendo a la respuesta dinámica del conjunto algoritmo de control del flujo – motor. Además, se ha obtenido un criterio de ajuste de los compensadores de los lazos que permite fijar de manera sencilla la dinámica deseada para el sistema. Por último, se han realizado ensayos experimentales sobre un prototipo de motor lineal de inducción. Los ensayos presentados muestran el buen comportamiento de la estrategia de control propuesta ante consignas de velocidad y posición, su robustez ante la variación de los parámetros del motor, y sus ventajas frente a los tipos de control actualmente más utilizados.
- Implementación de un sistema teleoperado con reflexión de fuerza de seis grados de libertad(2012-07-03) Sanchez-Tapia, E.J. (Emilio José); Rubio-Díaz-Cordovés, Á. (Ángel); Avello-Iturriagagoitia, A. (Alejo)Los trabajos expuestos en la presente tesis se han realizado en el Centro de Estudios e Investigaciones Técnicas de Guipúzcoa (CEIT) dentro del marco establecido en el proyecto de Sistemas Robóticos Teleoperados (SRT), financiado por Iberdrola y Equipos Nucleares (S.A.). El principal objetivo del SRT ha sido desarrollar una familia de robots que ayuden en tareas de mantenimiento de centrales nucleares. Un dispositivo de teleoperación consta de dos manipuladores: el robot maestro está controlado por un operario mientras que el esclavo interactúa con un entorno remoto, siguiendo las trayectorias comandadas desde el maestro. La característica de reflexión de fuerza hace referencia al hecho por el cual las fuerzas de interacción, del robot esclavo con su entorno, se reconducen al operario a través del robot maestro. La principal motivación del estudio de estos dispositivos es la de poder desempeñar, con un alto grado de destreza, tareas en entornos remotos y hostiles para el operario humano. Partiendo de los estudios de tesis anteriores en el laboratorio de robótica del CEIT, el objetivo de la presente consiste en ampliar y finalizar los trabajos realizados sobre un prototipo de teleoperación de seis grados de libertad. Todo ello ha supuesto: Diseñar e implementar un controlador de teleoperación con reflexión de fuerza que contemple tanto las dinámicas de traslación y rotación, en el espacio cartesiano, de los robots involucrados. Diseñar e Implementar un algoritmo que mantenga a los robots alejados de sus configuraciones singulares y límites de sus espacios de trabajo. Ensayar y testear todos los algoritmos sobre un prototipo real. La exposición comienza con una pequeña introducción, historia y estado de la técnica de los sistemas teleoperados en el primer capítulo. A continuación, en el capítulo 2, se describe el prototipo de teleoperación desarrollado. Este prototipo consta, como robot maestro, de una plataforma Stewart, y, como esclavo, de un robot antropomórfico. El capítulo 3 estudia únicamente la cinemática del robot esclavo, ya que la del maestro se contempla en estudios anteriores si bien puede encontrarse un resumen en el Anejo A. En el capítulo 4, se muestra con detalle los lazos de control de teleoperación propuesto. Este algoritmo se clasifica como esquema de control fuerza-fuerza ya que la información comunicada entre ambos robots es la fuerza medida en cada uno de ellos. Este esquema tiene la ventaja de ser el más transparente, es decir, tiene gran capacidad para reproducir en el operador las mismas fuerzas que éste sentiría en caso de que estuviera trabajando directamente en el entorno remoto. Por el contrario, estos esquemas tienden a ser inestables. Por ello, también se contempla la modificación adaptativa de ciertas variables para evitar este problema y la adición de unos lazos de prealimentación local y remota de fuerzas. El capítulo 5 expone un algoritmo para evitar configuraciones singulares y límites del espacio de trabajo tanto del robot maestro como del esclavo. Este algoritmo define los subespacios óptimos de trabajo para cada robot, y establece unos límites que el controlador impide que se sobrepasen. La estrategia empleada se basa en reflejar al operario una fuerza que simula el comportamiento de unos muelles. En el capítulo 6 se analiza el comportamiento de los algoritmos propuestos en el capítulo 5 y se muestran los resultados experimentales de la ejecución de tres tareas teleoperadas (manipulación, taladrado y amolado). Finalmente, en el capítulo 7 se resumen las conclusiones extraídas a lo largo del todo el trabajo y futuras líneas de investigación. Este proyecto ha sido cofinanciado parcialmente por la CICYT bajo el número de registro TAP95-0227-C02-02 y realizado conjuntamente por el CEIT, Iberdrola, Endesa, Equipos Nucleares S.A. y la Universidad de Cantabria.
- Nuevas estrategias de catalizado y filtrado para la mejora de prestaciones en sensores de monóxido de carbono basados en nanopartículas de óxido de estaño.(2011-04-05T10:05:04Z) Garcia-Mandayo, G. (Gemma); Castaño-Carmona, E. (Enrique)El continuo y sostenido avance que se ha producido en los últimos años en el sector de las microtecnologías y los microsistemas ha dado lugar a un creciente desarrollo de procesos altamente controlados, desarrollados en ambiente de sala limpia, cuya aplicación se ha extendido a campos como el de la fabricación de sensores. El atractivo de estas técnicas radica en su repetibilidad, en la reducción de consumos y en la miniaturización de los dispositivos así fabricados. Si en este panorama se introduce la creciente demanda de dispositivos sensores tanto en ámbitos industriales como domésticos, resulta comprensible la adopción de las mencionadas técnicas para llegar a la obtención de los denominados microsensores, en alusión tanto a la miniaturización de los mismos como a las microtecnologías mediante las que se fabrican. Por otra parte, en el ámbito de la llamada sociedad del bienestar, el uso creciente del gas natural en los hogares ha incrementado el riesgo tanto de explosiones por escape de metano (principal componente del gas natural) como de envenenamiento por presencia de monóxido de carbono, gas procedente de combustiones deficientes y tóxico incluso en muy bajas concentraciones. Esto ha desembocado en la elaboración de normativas de detección de monóxido de carbono en ambientes domésticos, de previsible obligatoriedad en un futuro próximo, así como en una creciente demanda de sensores de gas. De todo lo expuesto nace el objetivo de este trabajo, que comprende el diseño y fabricación de un microsensor para detección de monóxido de carbono en ámbitos domésticos, previo estudio del material a utilizar como película sensible, en este caso el óxido de estaño. Por consiguiente, la realización del trabajo ha consistido en una primera etapa de estudio exhaustivo de las prestaciones del óxido de estaño como material sensor, para determinar su proceso y parámetros de fabricación haciendo uso de microtecnologías. Los valores de respuesta obtenidos mediante los dispositivos fabricados son superiores a los valores reseñados por otros autores que también apuestan por las técnicas de película delgada. Uno de los mayores problemas que presentan los dispositivos sensores de gas en general es su falta de selectividad ante posibles gases interferentes que puedan estar presentes en la atmósfera en la que se utilizan. En este trabajo se propone el uso de un filtro integrado que consigue la eliminación en gran medida de la señal procedente del etanol, uno de los interferentes más importantes en el ámbito doméstico. En una segunda etapa del trabajo se ha abordado el diseño del microdispositivo sensor de gas, que incorpora, además de la película, la fabricación de un calefactor integrado que es necesario optimizar. Además de las técnicas de procesado de película delgada, son necesarias técnicas de propias del desarrollo de microsistemas, tales como el micromecanizado del silicio o el pegado anódico de silicio contra pyrex, para la consecución de un dispositivo acabado y susceptible de ser encapsulado para su uso final. El trabajo se ha concluido con el estudio de las prestaciones del dispositivo fabricado en cuanto a consumo de potencia y estabilidad temporal. Cabe subrayar la doble vertiente de este trabajo. En primer lugar se debe señalar su aplicación en el sector gasodoméstico a través del proyecto llevado a cabo conjuntamente con la empresa Sociedad de Gas de Euskadi y avalada por las comunicaciones a los congresos del sector IGU 99 e IGRC 2001, así como por las patentes que la empresa ha realizado en relación con la fabricación del prototipo. En segundo lugar, hay que reseñar el interés científico reflejado en las publicaciones en revistas de ámbito internacional (Sensors & Actuators e IEEE Sensors Journal), así como por varias comunicaciones a congresos de alcance tanto nacional (VI Reunión Nacional de Materiales, CDE 99 y CDE 2001) como internacional (Sensor 99 y Eurosensors XVI).
- Colisiones en estudios de mantenibilidad con restitución de esfuerzos sobre maquetas digitales masivas y compactas(2011) Borro-Yagüez, D. (Diego); Matey-Muñoz, L. (Luis); Garcia-Alonso-Montoya, A. (Alejandro)Uno de los aspectos de mayor interés de la mantenibilidad concierne al análisis de accesibilidad del hombre y la herramienta, donde se acomete el cálculo de vías de acceso, de secuencias de ensamblaje y desensamblaje, y de evaluación de tiempos. Hoy en día todavía es necesario el empleo de maquetas físicas, para poder evaluar la mantenibilidad de las partes externas del motor en la etapa de desarrollo. Aunque estas maquetas pueden ser empleadas en otras aplicaciones, la razón de que se construyan suele ser evaluar la mantenibilidad. Este trabajo busca que las maquetas físicas dejen de ser necesarias para los estudios de mantenibilidad, para lograr una reducción de costes y tiempo en el desarrollo de motores de avión. Este objetivo viene facilitado e impulsado por el siguiente hecho: actualmente, en la industria aeronáutica, el diseño basado en maquetas electrónicas está siendo empleado de forma habitual en la creación de los elementos externos del motor (tuberías, guarniciones e instalaciones). La Realidad Virtual, combinada con el uso de hardware específico que emula sensaciones táctiles, puede ofrecer una solución al objetivo propuesto. En esa línea, el objetivo principal de esta Tesis, y también una tarea importante en la Realidad Virtual, es el estudio e investigación dentro del campo de las colisiones, en este caso para su aplicación en herramientas de mantenibilidad. Los resultados finales se traducirán en el desarrollo de un módulo de colisiones exacto y eficiente que ayude a la aplicación a predecir la mantenibilidad de un motor de avión, simulando las tareas necesarias para ello. La extremada complejidad de los modelos CAD aeronáuticos requiere que el cálculo de las interferencias implemente técnicas específicas para asegurar un frame rate interactivo. Además, y por las características de las tareas de mantenimiento, no sólo se necesita detectar las colisiones del entorno, sino que también hace falta calcular una respuesta, que es necesaria para ofrecer una salida táctil al usuario. Esto último es de gran importancia ya que condiciona el grado de sensación recibida en el momento de la manipulación de los objetos de la escena.
- Control de dispositivos físicos de gran espacio de trabajo para la interacción táctil con entornos virtuales(2012) Gil-Nobajas, J.J. (Jorge Juan); Florez-Esnal, J. (Julián); Avello-Iturriagagoitia, A. (Alejo)Los sistemas hápticos de realidad virtual están suscitando en la actualidad un creciente interés, desde un punto de vista científico y empresarial, por las variadas aplicaciones industriales que pueden llegar a tener. Los interfaces hápticos sirven de enlace entre el usuario y un escenario virtual, a través del sentido del tacto. El sistema requiere un dispositivo mecánico, que el operario manipula a modo de herramienta, con espacio de trabajo adecuado y baja inercia. También se requiere de un software gráfico y de control,encargado de mostrar el escenario, y la réplica virtual del usuario, y de calcular y comandar las fuerzas de contacto. La presente tesis centra sus investigaciones en el área de control de dispositivos hápticos de gran espacio de trabajo. Los estudios se pueden agrupar en tres grandes líneas de trabajo: •Desarrollo e implementación de un método de cálculo de la fuerza de contacto con el escenario. •Estudio de la estabilidad del sistema, así como su comprobación experimental. •Desarrollo, implementación y análisis de un método de disminución de inercia del interfaz, que contribuya a mejorar su transparencia. Los planteamientos teóricos se han implementado físicamente en dos dispositivos hápticos. El primero es comercial, el PHANToM, mientras que el segundo, el LHIfAM, ha sido desarrollado por el CEIT en el marco del proyecto REVIMA. Este proyecto es pionero en España en el desarrollo de un sistema háptico completo: generación del software gráfico y de control, y diseño mecánico y construcción del interfaz.