Cálculo diferencial para el diseño óptimo de un robot de batalla de 3 libras, minimizando materiales y manteniendo resistencia

Differential calculus for the optimal design of a 3-pound battle robot, minimizing materials while maintaining strength

Resumen

La optimización estructural de robots ligeros constituye un reto clave en ingeniería mecánica, particularmente cuando se busca reducir el consumo de material manteniendo la resistencia funcional. Este estudio aborda dicha problemática evaluando tres geometrías de chasis cilíndrica, cúbica y prismática fabricadas en aluminio 6061, acero inoxidable y ABS, con el objetivo de identificar la configuración más eficiente para un robot de batalla de 3 libras. Se aplicó un diseño experimental con enfoque cuantitativo, integrando modelado CAD, simulaciones de análisis por elementos finitos (FEA) y ensayos mecánicos normalizados (ASTM D695 y D790). La recolección de datos incluyó mediciones de área superficial, volumen, peso, resistencia a compresión y flexión, así como consumo de material. Se establecieron tolerancias estrictas y procedimientos de calibración para asegurar la precisión y repetibilidad de las mediciones. Los resultados muestran que la geometría cilíndrica presenta la menor área superficial y consumo de material, con un ahorro del ~8 % frente a las demás configuraciones, manteniendo una resistencia mecánica elevada. Las diferencias entre los valores simulados y experimentales fueron inferiores al ±5 %, validando la fiabilidad del método FEA como predictor estructural. La discusión evidenció la coherencia de estos resultados con estudios previos en optimización geométrica y validación numérico–experimental, confirmando que la selección de forma y material influye de manera crítica en el desempeño del robot. En conclusión, el trabajo demuestra que es posible diseñar estructuras robóticas ligeras, resistentes y eficientes, aplicando una metodología integrada de modelado, simulación y ensayo físico, con potencial de aplicación en ingeniería y educación.