Diseño e implementación de un sistema modular para la captura de datos de sistemas mecánicos traslacionales para simulaciones basadas en Linear Graph Modeling

Abstract

Este trabajo presenta el diseño, construcción e implementación de un sistema mecánico modular orientado a la caracterización experimental de sistemas traslacionales de masas, resortes y amortiguadores, con el propósito de generar datos confiables para la validación de la metodología Linear Graph Modeling (LGM). El sistema fue concebido para replicar el comportamiento de un modelo lineal de parámetros concentrados, permitiendo la sustitución rápida de componentes y garantizando una respuesta lineal invariante en el tiempo. El proceso de diseño incluyó tres iteraciones que abarcaron modelado CAD, impresión 3D y evaluación de prototipos. Se desarrollaron empaquetados universales para resortes basados en un conjunto comercial con longitudes constantes, así como un sistema de anclaje modular para amortiguadores de aceite cuya constante de amortiguamiento depende de la viscosidad del fluido. Paralelamente, se construyeron carruajes de masas compatibles con guía tipo V-slot y con monturas para esferas de rastreo OptiTrack, integrándose el sistema al ecosistema Robotat. Se desarrollaron aplicaciones en Matlab y Python para la adquisición y procesamiento de datos, logrando una frecuencia de muestreo máxima de 70 Hz mediante MQTT. Se ejecutaron 192 experimentos de resortes y 96 de amortiguadores, y los parámetros dinámicos se estimaron mediante System Identification Toolbox. Los valores experimentales de rigidez presentaron errores menores al 15% respecto al modelo teórico, y los amortiguadores mostraron un ajuste promedio de 96.33%. Los resultados validan la funcionalidad del sistema, confirman la concordancia con LGM y establecen una base experimental sólida para futuras investigaciones en modelado multidominio e integración de técnicas de simulación híbrida.

This work presents the design, construction, and implementation of a modular mechanical system intended for the experimental characterization of translational mass-spring-damper systems, with the goal of providing reliable data for validating the Linear Graph Modeling (LGM) methodology. The system was conceived to replicate the behavior of a linear timeinvariant lumped-parameter model, enabling rapid component substitution and ensuring consistent linear dynamics. The design process included three iterations involving CAD modeling, 3D printing, and prototype evaluation. Universal spring housings were developed based on a commercial assortment with constant lengths, and a modular mounting system was created for oil-based dampers whose damping coefficient depends on fluid viscosity. Mass carriages were designed to interface with V-slot rails and to support OptiTrack re ective markers, enabling full integration with the Robotat motion-capture ecosystem. Data-acquisition applications were developed in Matlab and Python, achieving a maximum sampling frequency of 70 Hz via MQTT. A total of 192 spring experiments and 96 damper experiments were performed, and dynamic parameters were estimated using the System Identification Toolbox. Experimental spring stiffness values exhibited errors below 15% relative to theoretical predictions, while dampers achieved an average model fit of 96.33%. Results confirm the system's functionality, validate its agreement with LGM, and establish a robust experimental foundation for future research in multidomain modeling and hybrid simulation techniques.