{"id":6127,"date":"2022-04-15T13:44:37","date_gmt":"2022-04-15T13:44:37","guid":{"rendered":"https:\/\/transferencia.tec.mx\/?p=6127"},"modified":"2023-09-10T03:51:13","modified_gmt":"2023-09-10T03:51:13","slug":"mecanismos-flexibles-piezas-que-no-se-mueven-se-doblan","status":"publish","type":"divulgacion-ciencia","link":"https:\/\/tecscience.tec.mx\/es\/divulgacion-ciencia\/mecanismos-flexibles-piezas-que-no-se-mueven-se-doblan\/","title":{"rendered":"Mecanismos flexibles: piezas que no se mueven\u2026 \u00a1se doblan!"},"content":{"rendered":"

Por Mauricio Arredondo<\/strong>, Enrique Cuan <\/strong><\/a>y Alfonso G\u00f3mez<\/a>\u00a0<\/strong><\/p>\n

Un mecanismo es un dispositivo que se dise\u00f1a y se emplea para realizar un trabajo. Por ejemplo, el mecanismo de una excavadora, o el mecanismo que hace moverse a una persona en los aparatos de ejercicio del parque. El uso de mecanismos por humanos se remonta a las \u00e9pocas de los egipcios (2500 BC) cuando se usaban poleas y palancas para mover los grandes blocks<\/em> que forman las pir\u00e1mides.<\/p>\n

Los mecanismos son com\u00fanmente formados del ensamblaje de varias piezas (eslabones) que son unidas con otras por medio juntas o articulaciones. Este ensamblaje puede llegar a resultar en desventajas en los mecanismos, como imprecisiones y complejidad en el proceso de armado. Sin embargo, la naturaleza tambi\u00e9n tiene mecanismos, y en ella podemos encontrar ejemplos donde es posible transmitir movimientos con base en la flexibilidad o la deformaci\u00f3n de sus elementos, por ejemplo, el caparaz\u00f3n protector del armadillo o el mecanismo de cierre de las plantas carn\u00edvoras.<\/p>\n

A los mecanismos que trabajan con base en este principio, de doblarse o flexionarse, se les conoce como \u00abmecanismos flexibles\u00bb (compliant mechanisms,<\/em> en ingl\u00e9s). <\/em>Entonces, es normal pensar que los mecanismos convencionales, o de cuerpo r\u00edgido, tienen a su gemelo flexible. Un ejemplo de mecanismo de cuerpo r\u00edgido se muestra en la figura 1a, este mecanismo es utilizado como robot en aplicaciones de manipulaci\u00f3n y colocaci\u00f3n de objetos. Por otro lado, en la figura 1b vemos su contraparte flexible.<\/p>\n

Un mecanismo flexible, al igual que un mecanismo convencional de cuerpo r\u00edgido, es un dispositivo utilizado para transmitir movimiento, fuerza y\/o energ\u00eda, con la diferencia de que, en un mecanismo flexible, esto se consigue a trav\u00e9s de la deformaci\u00f3n de algunos elementos flexibles que lo componen, conocidos como \u201cflexures<\/em>\u201d.<\/p>\n

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Figura 1: (a) Mecanismos de cuerpo r\u00edgido y (b) mecanismo flexible.<\/figcaption><\/figure>\n

Se puede notar en la figura 1a que el mecanismo tiene juntas cinem\u00e1ticas, mientras que el de la derecha tiene flexures<\/em>. Esta analog\u00eda es importante en el mundo de los mecanismos flexibles y podemos reafirmarla en la figura 2. Aqu\u00ed se pueden observar m\u00e1s de cerca las diferencias entre una junta de revoluta convencional (figura 2a) y un flexure<\/em> para desplazamiento rotacional (figura 2b).<\/p>\n

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Figura 2: (a) junta convencional de revoluta, (b) flexure rotacional.<\/figcaption><\/figure>\n

Tal vez se piense que los mecanismos flexibles son un concepto novedoso, y si bien su estudio se ha popularizado en la \u00faltima d\u00e9cada gracias a los avances en tecnolog\u00edas de manufactura, el principio b\u00e1sico con el que funcionan es muy conocido. \u00c9ste ha sido ampliamente utilizado desde hace ya mucho tiempo, por ejemplo, la pr\u00f3xima vez que vayas a ba\u00f1arte observa la tapa del champ\u00fa (figura 3). Las tapas de muchas botellas pl\u00e1sticas tienen un mecanismo que les permite abrir y cerrar. \u00c9ste es un flexure.<\/em><\/p>\n

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Figura 3: Flexure utilizado como mecanismo para abrir y cerrar botellas.<\/figcaption><\/figure>\n

Ventajas y retos de los mecanismos flexibles<\/h2>\n

Como podemos ver en el ejemplo de la tapa de botella, los mecanismos flexibles han estado ah\u00ed, aunque no han sido tan populares como sus contrapartes de cuerpo r\u00edgido.<\/p>\n

Entonces, hablemos un poco de las ventajas de los mecanismos flexibles. En primer lugar, no requieren ser ensamblados, por lo que pueden ser construidos de una sola pieza, esto a su vez permite reducir su peso, eliminar la fricci\u00f3n entre sus componentes y sobre todo permite que los mecanismos flexibles puedan ser construidos en miniatura. Todo esto a su vez permite que los mecanismos flexibles alcancen niveles de precisi\u00f3n inimaginables con los mecanismos convencionales de cuerpo r\u00edgido. Esto se deriva a que hoy en d\u00eda, algunos mecanismos flexibles pueden encontrarse en aplicaciones de alta precisi\u00f3n como micro\/nano-pinzas, micro\/nano-manufactura, micro\/nano-posicionamiento, etc.<\/p>\n

Y con tantas ventajas, \u00bfpor qu\u00e9 no son tan populares como sus contrapartes r\u00edgidas?, \u00bfpor qu\u00e9 no vemos mecanismos flexibles en muchas m\u00e1s aplicaciones? Bueno, esto es debido a que el dise\u00f1o y la fabricaci\u00f3n de mecanismos flexibles es retador. \u00c9stos tienen algunos desaf\u00edos que deben superarse antes de ser implementados en una aplicaci\u00f3n. En primer lugar, la manufactura, y es que el hecho de que los mecanismos flexibles puedan obtenerse de una sola pieza es una ventaja en su funcionamiento, pero tambi\u00e9n es un dolor de cabeza para su fabricaci\u00f3n\u2026 \u00a1hasta ahora!<\/p>\n

El creciente auge de la manufactura aditiva, tambi\u00e9n conocida como impresi\u00f3n 3D, ha permitido superar esta limitante y cada vez es m\u00e1s sencillo fabricar mecanismos flexibles con dise\u00f1os m\u00e1s complejos. Muchos de estos dise\u00f1os eran imposibles de fabricar hace algunos a\u00f1os con las t\u00e9cnicas de manufactura est\u00e1ndar. Sin embargo, hoy en d\u00eda, hemos sido capaces de imprimir en 3D el mecanismo flexible que se muestra en la Figura 4 (s\u00ed, es el mismo dise\u00f1o que el que se ve en la figura 1b).<\/p>\n

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Figura 4: Mecanismo flexible fabricado con impresi\u00f3n 3D en el Laboratorio de Metamateriales de Campus Quer\u00e9taro.<\/figcaption><\/figure>\n

Analizando a fondo los mecanismos flexibles<\/h2>\n

Otra limitante importante de los mecanismos flexibles tiene que ver con su an\u00e1lisis, es decir, ser capaces de estimar c\u00f3mo ser\u00e1 su desempe\u00f1o. Una de las principales misiones en su an\u00e1lisis es poder determinar cu\u00e1l es la relaci\u00f3n fuerza\/desplazamiento aplicado y fuerza\/desplazamiento generado. En otras palabras, \u00bfqu\u00e9 tanta fuerza debo aplicar para lograr cierto desplazamiento?, o bien, si quiero lograr un desplazamiento espec\u00edfico, \u00bfcu\u00e1nta fuerza debo aplicar? Al igual que en los mecanismos convencionales de cuerpo r\u00edgido, en los mecanismos flexibles, las fuerzas y los desplazamientos de entrada son aplicados en alg\u00fan punto, y se generar\u00e1n fuerzas y desplazamientos de salida en otro punto. Por lo tanto, el objetivo de analizar un mecanismo flexible es conocer esta relaci\u00f3n.<\/p>\n

Conocer la relaci\u00f3n entre las entradas y salidas de un mecanismo flexible es fundamental para cualquier aplicaci\u00f3n. Sin embargo, obtenerla es complicado, pues a diferencia de los mecanismos de cuerpo r\u00edgido, en los mecanismos flexibles no es posible realizar el an\u00e1lisis cinem\u00e1tico (posiciones y velocidades) y din\u00e1mico (fuerzas e inercias) por separado.<\/p>\n

Existe una gran variedad de m\u00e9todos propuestos para analizar mecanismos flexibles, m\u00e9todos que van desde analizar el mecanismo flexible asumiendo que es como su equivalente de cuerpo r\u00edgido, sustituyendo los flexures<\/em> por juntas convencionales con un resorte torsional (ver Figura 5a), hasta realizar simulaciones computacionales tomando en cuenta todo el mecanismo flexible por completo (vea Figura 5b).<\/p>\n

El primer m\u00e9todo mencionado es una simplificaci\u00f3n que no permite una representaci\u00f3n genuina de la naturaleza del mecanismo flexible. El segundo demanda numerosos recursos computacionales y suelen ocultar dependencias de las respuestas a par\u00e1metros de dise\u00f1o. Esto le da valor a los modelos completamente te\u00f3ricos que permiten un entendimiento s\u00f3lido del comportamiento del mecanismo. Lo modelos te\u00f3ricos tambi\u00e9n nos permiten obtener relaciones exactas entre los par\u00e1metros geom\u00e9tricos, que definen al mecanismo flexible, con su desempe\u00f1o resultante. Actualmente hay varios m\u00e9todos te\u00f3ricos que pueden ser usados para el estudio de mecanismos flexibles, pero la gran mayor\u00eda padecen de ser o muy complejos con una notaci\u00f3n excesiva o bien funcionan solamente para mecanismos con dise\u00f1os sencillos y bajo ciertas condiciones de fuerza-desplazamiento.<\/p>\n

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Figura 5: Dos m\u00e9todos comunes para analizar mecanismos flexibles: (a) simplificar el mecanismo a su equivalente de cuerpo r\u00edgido, y (b) Simulaci\u00f3n mediante elemento finito.<\/figcaption><\/figure>\n

Una metodolog\u00eda para simplificar el mecanismo<\/h2>\n

Inspirados por esto, y con la motivaci\u00f3n de simplificar los modelos existentes de tal manera que fuera accesibles para m\u00e1s usuarios de mecanismos flexible, y aportar a la implementaci\u00f3n de estos en m\u00e1s aplicaciones, los autores de este art\u00edculo propusimos una metodolog\u00eda te\u00f3rica capaz de ser utilizada en el an\u00e1lisis de cualquier tipo de mecanismo flexible bajo cualquier condici\u00f3n de fuerza-desplazamiento y considerando como flexibles \u00fanicamente las partes del mecanismo deseadas.<\/p>\n

Con esta nueva metodolog\u00eda, adem\u00e1s, se puede obtener una relaci\u00f3n directa entre las variables de entrada y las variables de salida, lo que facilita su implementaci\u00f3n y disminuye el tiempo de c\u00e1lculo. Con la propuesta de esta metodolog\u00eda se espera aportar para superar la limitante de \u201can\u00e1lisis complicado\u201d y avanzar en la incorporaci\u00f3n de nuevos mecanismos flexibles en m\u00e1s aplicaciones, aprovechando al m\u00e1ximo sus ventajas y alcanzando un nivel superior de precisi\u00f3n.<\/p>\n

La referencia cient\u00edfica que contiene esta metodolog\u00eda se incluye al final de este art\u00edculo. Con esta metodolog\u00eda lograremos facilitar el uso de mecanismos flexibles para muchas m\u00e1s aplicaciones. Entonces, tal vez, podamos ver que menos piezas en un mecanismo no significa peor desempe\u00f1o, usar elementos flexibles (como lo hace la naturaleza) nos puede llevar a obtener soluciones pr\u00e1cticas, como la tapa de la botella del champ\u00fa, en aplicaciones industriales de mayor complejidad.<\/p>\n

\u00bfQuieres saber m\u00e1s?<\/h2>\n
    \n
  • Arredondo-Soto, M., Cuan-Urquizo, E., & G\u00f3mez-Espinosa, A. (2022). The compliance matrix method for the kinetostatic analysis of flexure-based compliant parallel mechanisms: Conventions and general force\u2013displacement cases. Mechanism and Machine Theory, 168, 104583.
    \nDOI: https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.mechmachtheory.2021.104583<\/li>\n
  • Arredondo-Soto, M., Cuan-Urquizo, E., & G\u00f3mez-Espinosa, A. (2021). A Review on Tailoring Stiffness in Compliant Systems, via Removing Material: Cellular Materials and Topology Optimization. Applied Sciences, 11(8), 3538.
    \nDOI: https:\/\/doi.org\/10.3390\/app11083538<\/li>\n<\/ul>\n

    Los autores<\/h2>\n

    Mauricio Arredondo Soto <\/strong>es estudiante de doctorado (DCI) del Laboratorio de Metamateriales del Tecnol\u00f3gico de Monterrey.<\/p>\n

    Enrique Cuan Urquizo<\/strong> es profesor-investigador de la Escuela de Ingenier\u00eda y Ciencias, en el Depto. de Ingenier\u00eda Mec\u00e1nica y Materiales Avanzados, Regi\u00f3n Centro-Sur.<\/p>\n

    Alfonso G\u00f3mez Espinosa<\/strong> es profesor-investigador de la Escuela de Ingenier\u00eda y Ciencias, en el Depto. de Ingenier\u00eda Mecatr\u00f3nica, Regi\u00f3n Centro-Sur.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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