CERCETĂRI TEORETICE ŞI EXPERIMENTALE ALE PREHENSOARELOR ANTROPOMORFE CU NUMĂR REDUS DE DEGETE PENTRU ROBOŢI [301432]
ing. Marian BOLBOE
TEZĂ DE DOCTORAT
CERCETĂRI TEORETICE ȘI EXPERIMENTALE
ALE PREHENSOARELOR ANTROPOMORFE CU NUMĂR REDUS DE DEGETE PENTRU ROBOȚI
Conducător științific
Prof. univ. dr. ing. Petre ALEXANDRU
Brașov, 2013
ing. Marian BOLBOE
TEZĂ DE DOCTORAT
TITLU (română): Cercetări teoretice și experimentale ale prehensoarelor antropomorfe cu număr redus de degete pentru roboți
TITLU (engleză): Theoretical and experimental researches regarding the anthropomophic gripping systems with a [anonimizat]: Inginerie Mecanică
Comisia de analiză a tezei:
Prof. univ. dr. ing. [anonimizat]. univ. dr. ing. [anonimizat]. univ. dr. ing. [anonimizat]. univ. dr. ing. [anonimizat]. univ. dr. ing. [anonimizat]: 22/11/2013
[anonimizat]-[anonimizat]. Îi adresez sincere mulțumiri pentru sfaturile date și sprijinul demonstrat de-a lungul anilor în cercetarea întreprinsă și pentru suportul deosebit acordat în sensul rezolvării problemelor complexe ce au apărut pe parcusul studiilor și cercetărilor necesare elaborării tezei de doctorat.
Pe această cale adresez mulțumiri deosebite Domnului Profesor Ionel Starețu pentru sugestiile competente facute și întregul suport acordat pe parcursul anilor de studiu.
[anonimizat], [anonimizat].
[anonimizat] m-au susținut și au crezut în pasiunea mea.
CUPRINS
1. INTRODUCERE 5
1.1. Scurt istoric 5
1.2. Etape în dezvoltarea prehensiunii antropomorfe pentru roboți 8
1.3. Prezentarea structurii tezei 9
2. STADIUL ACTUAL AL CUNOAȘTERII ÎN DOMENIUL PREHENSIUNII
ANTROPOMORFE PENTRU ROBOTI 12
2.1. Considerații preliminare; noțiuni de bază 12
2.2. Nivelul actual al dezvoltării prehensiunii antropomorfe 13
2.2.0. Elemente generale 13
2.2.1. Sistematizarea prehensoarelor mecanice antropomorfe pentru roboți 15
2.2.2. Particularități constructive și funcționale ale prehensoarelor antropomorfe pentru
roboți 22
a. Prehensoare cu două degete 23
b. Prehensoare cu trei degete 24
c. Prehensoare cu patru degete 27
d. Prehensoare cu cinci degete 28
e. Prehensoare cu șase degete 28
2.3. Realizări recente în domeniul prehensiunii antropomorfe 29
2.4. Concluzii și obiective 35
3. PREHENSIUNEA; ELEMENTE DE TEORIE GENERALĂ 37
3.1. Prehensarea obiectului. Echilibrul static al obiectului 37
3.1.1. Modelarea contactului mecanic 37
3.1.2. [anonimizat] 39
3.1.3. Echilibrul unui sistem de corpuri solide 42
3.1.4. Condițiile minime de prehensiune statică 43
3.2. [anonimizat] (bacul) 46
3.3. Prezentări sistematizate ale obiectului prehensat 50
3.4. [anonimizat] 51
3.5. Numărul minim de bacuri elementare necesare pentru prehensiune 56
3.6. Concluzii 57
4. STUDIUL ECHILIBRULUI ȘI MIȘCĂRII LA PREHENSOARELE
ANTROPOMORFE CU BARE ARTICULATE 58
4.1. Variante constructive noi, propuse și proiectate 58
4.1.1. Prehensor cu 4 degete dispuse sub formă de clopot 58
4.1.2. Prehensor cu 3 degete înfășurătoare 59
4.1.3. Prehensor antropomorf cu 5 degete acționat pneumatic 61
4.1.4. Prehensor antropomorf cu două degete 62
4.2. Funcția de forță în mecanismele de acționare a falangelor 64
4.2.1. Forțe în mecanismul prehensorului “clopot” 64
4.2.2. Forțe în mecanismul prehensorului “degete înfășurătoare” 67
4.3. Funcționalitatea cinematică a mecanismelor de prehensiune 71
4.3.1. Mecanism de prehensare cu antiparalelograme 71
a. Calculul funcției de transmitere a vitezelor 73
b. Calculul funcției de transmitere a accelerațiilor 73
4.3.2. Mecanismul de prehensiune cu culisă intermediară 79
4.3.3. Mecanism de prehensiune cu șase degete independente 84
4.3.4. Mecanismul de prehensare cu trei degete înfășuratoare 86
4.3.5. Mecanismul de prehensare cu două degete 94
4.4. Concluzii 102
5. DEZVOLTĂRI PRIVIND PARTICULARITĂȚILE CONSTRUCTIVE ALE
ELEMENTELOR DE CONTACT CU OBIECTUL PREHENSAT 103
5.1. Arhitectura mâinii omului 103
5.2. Taxonomia prehensiunii antropomorfe: scurt istoric și clasificare 107
5.3. Aspecte privind optimizarea subsistemului -bacuri 109
5.3.1. Contribuții și aspecte privind optimizarea contactului bac-obiect 110
5.3.2. Analiza zonei de contact cu obiectul prehensat 112
5.4. Concluzii 115
6. PROIECTAREA OPTIMALĂ-DESIGNUL CONCEPTUAL AL PREHENSORULUI
ANTROPOMORF 117
6.1. Proiectarea optimală: Concept și etape 117
6.2. Analiza metodelor de optimizare a proiectării prehensoarelor antropomorfe 121
6.2.1 Metode de optimizare 121
6.2.2 Variante de prehensoare și caracteristicile acestora 124
6.2.3 Analiza morfologică- ponderea criteriilor 128
6.3. Conceperea/ proiectarea unui prehensor antropomorf optim 132
6.3.1. Definirea prehensorului optim 132
6.3.2. Controlul prehensiunii 137
6.4. Schițarea prehensorului 141
6.4.1. Schema structurală a prehensorului 141
6.4.2. Proiectare 3D 143
6.4.3. Verificarea închiderii prehensorului 147
6.5. Concluzii 149
7. CONCEPEREA ȘI REALIZAREA STANDULUI DE ÎNCERCĂRI ȘI A
EXPERIMENTELOR 150
7.1. Componentele standului de testare 150
7.2. Descrierea funcționării standului 155
7.3. Calibrarea senzorilor 158
7.4. Validarea experimentală a rezultatelor teoretice 160
7.4.1. Verificarea posibilităților de prehensiune a suprafețelor complexe 160
7.4.2. Controlul în forță al prehensiunii 162
7.4.3. Validarea experimentală a deplasărilor în cuplele cinematice 165
7.4.4. Experimente privind forțele de prehensiune în raport cu forța motoare 167
7.5. Concluzii 169
8. EVALUAREA REZULTATELOR, FORMULAREA DE CONCLUZII ȘI
RECOMANDĂRI 171
8.1. Valorificare rezultate 171
8.2. Concluzii finale și contribuții proprii/originale 171
8.3. Diseminarea rezultatelor 173
8.3.1. Articole științifice publicate 174
8.3.2. Utilizarea cunoștințelor în mediul economic 175
8.4. Direcții viitoare de cercetare 176
9. BIBLIOGRAFIA 177
ANEXA1 (Rezumat – româna/ engleză) 191
ANEXA2 (Curriculum Vitae) 193
INTRODUCERE
PREHENSIÚNE, conform dicționarului explicativ al limbii române, reprezintă acțiunea mâinii de a prinde, de a apuca cu ajutorul degetelor, al unei pense etc. Este un cuvânt provenit din limba franceză (préhension) cu sensul de apucare.
Încă din anii 1965 – 1967, specialiștii japonezi în robotică au considerat că prehensiunea oglindește rolul mâinii umane [KAT 77].
În robotică, însă, prehensiunea nu este privită doar din punctul de vedere al posibilităților de apucare cu mâna sau alt mecanism biologic, mecanic sau bio-mecanic.
Prehensiunea privită ca o interacțiune dintre un corp și un obiect, în vederea manipulării acestuia, capătă o serie de noi valențe, devenind un proces foarte complex, a cărui definire se leagă strict de funcțiile acestuia.
Într-o accepțiune mai largă “Prehensiunea” este acea parte a operațiilor robotizate în care se realizează: poziționarea și centrarea prehensorului față de obiect (în faza de apucare), rigidizarea elementelor de execuție (contact) cu obiectul, menținerea rigidizării în timpul procesului tehnologic de manipulare, poziționarea prehensorului împreună cu obiectul și
desprinderea prehensorului de obiect (care să rămână în poziție prestabilită).
Figura 1.0. – Fazele prehensiunii
Din definiție reies și cele cinci faze ale prehensiunii, reprezentate:
faza de centrare (sch. a), faza de prindere (sch. b), faza de menținere (sch. c), faza de depunere (sch. d) și faza de desprindere (sch.e) [DUD 87].
1.1. Scurt istoric
Primele sisteme de prehensiune s-au dezvoltat la organismele multicelulare și, pe măsura poziționării superioare în lanțul trofic și funcție de mediul (acvatic, aerian, terestru) în care au evoluat, sistemele de prehensiune s-au dezvoltat în sensul asigurării celor cinci faze descrise anterior.
Sistemele de prehensiune pot fi naturale și artificiale. Sistemele artificiale de prehensiune s-au dezvoltat încă de la apariția omului modern și au fost inspirate din geometria și funcțiile sistemelor naturale. Exemple în acest sens se pot vedea în figura 1.1., unde sisteme mecanice artificiale de prehensiune au fost inspirate din bioprehensoarele cu care omul a intrat în contact.
Figura 1.1. – Prehensiunea naturală și artificială
Sistemele artificiale de prehensiune sunt, în fapt, copii geometrice (mai mult sau mai puțin exacte) ale sistemelor naturale de prehensiune.
Preocupări pentru studiul biomecanismelor de prehensiune au existat încă din perioada antică [LOF 80], au urmat studiile complexe ale lui Leonardo da Vinci sau mai târziu Nicolas de Lorgillierre cu pictura “Etudes de mains”. S-au încercat și primele proteze pentru mâna umană încă din anii 1500; ca și element de referință amintim proteza Goetz datată în anul 1509.
Studiile în sfera sistemelor artificiale de prehensiune au luat amploare abia în a doua jumătate a secolului XX, iar lucrările de sinteză importante apărute după 1975, consideră fără excepție mâna umană ca fiind biomecanismul cel mai perfecționat și de referință pentru optimizarea părților similare ale roboților, respectiv perfecționarea mecanismului de prehensiune [CHE 82].
În afara structurii mecanice sau biomecanice, un prehensor are în componență și o structură de comandă și control, bazată pe un flux de informație [STA 96]; [NAK 01].
Tabelul 1.1. prezintă corespondența sistemului artificial de prehensiune cu cel natural, respectiv transpunerea acestei corespondențe în imaginile grafice din figurile 1.2. și 1.3.
Tabelul 1.1. – Corespondența între sistemele naturale și artificiale de prehensiune
1.2. Etape în dezvoltarea prehensiunii antropomorfe pentru roboți
Dacă studiile privind prehensiunea antropomorfă au cunoscut o ușoară dezvoltare în secolul XVI, odată cu studiile despre corpul uman ale lui Leonardo da Vinci, studiile privind prehensiunea antropomorfă pentru roboți s-au dezvoltat patru secole mai târziu, odată cu boom-ul tehnologic de după al doilea război mondial.
Prima povocare a lansat-o scriitorul Karel Čapek în piesa de teatru “Rossum's Universal Robots”. În această piesă apare pentru prima dată termenul de robot, termen care a fost preluat imediat în literatura Science Fiction precum și în dicționarul englez. Scenariul a fost bazat pe ideea creării unor structuri mecanice inteligente asemănătoare oamenilor, capabile să efectueze pentru aceștia diferite sarcini.
Deși ideea a avut succes în cercurile literare, aceasta nu avea suport din punct de vedere tehnologic. Europa trecea printr-o perioadă de reconstrucție după primul razboi mondial, iar cercetatorii vremii lucrau în mod pragmatic la îmbunătățirile tehnologice ale mașinilor de război ce aveau să se confrunte în al doilea război mondial.
Așadar, până în anii ’50 ai secolului trecut cercetările și dezvoltările în domeniul prehensiunii antropomorfe erau limitate la sistemele de protezare.
Odată cu dezvoltarea utilizării roboților în zonele industriale, au început să se dezvolte și prehensoarele atașate acestora, având puține caracteristici antropomorfe.
Un alt punct de cotitură în dezvoltarea prehensiunii antropomorfe l-a constituit aselenizarea din 1963, care a adus din nou în prim plan ideea utilizării unor structuri robotizate, capabile să reziste în mediile ostile extraterestre.
Timp de un deceniu, structurile mecanice antropomorfe de prehensiune pentru roboți au cunoscut o dezvoltare mare din punct de vedere tipo-dimensional. Au fost create prehensoare cu două sau mai multe degete, cu diferite subsisteme de acționare și diferite subsisteme de transmitere a mișcărilor. Aceste prehensoare, erau unele “oarbe” întrucât nu exista o modalitate de culegere și procesare a datelor din exteriorul și interiorul sistemului de prehensiune. Închiderea și deschiderea prehensorului se făcea fie prin comandă manuală (acționată de om), fie prin intermediul unor limitatoare de cursă care închideau sau deschideau un circuit.
Momentul care a reconfigurat eforturile de cercetare și dezvoltare în sfera prehensiunii antropomorfe l-a constituit inventarea microprocesorului în anii ’70. De atunci dezvoltarea capacității de procesare a datelor s-a dezvoltat după legea lui Moore care este valabilă și astăzi: puterea de calcul se dublează la fiecare doi ani. Figura 1.4. arată evoluția față de previziune.
Figura 1.4. – Dezvoltarea microprocesoarelor vs. Legea Moore
Microprocesorul a stat la baza dezvoltării subsistemelor senzoriale, de comandă și control, sistemele antropomorfe de prehensiune atingând astfel performanțe similare mâinii umane.
1.3. Prezentarea structurii tezei
Teza își propune efectuarea unui studiu teoretic și experimental asupra prehensoarelor antropomorfe pentru roboți și propunerea unor variante constructive noi. În baza variantelor constructive existente și a celor noi propuse de autor, în lucrare se vor aborda metode de analiză, proiectare și optimizare, astfel încât să se poată defini o soluție originală (un sistem de prehensiune cu număr redus de degete), ținând cont de criterii definite inițial.
În acest sens, teza va fi structurată astfel:
Capitolul „Introducere” tratează aspecte referitoare la conceptul de prehensiune, pornind de la cele mai simple până la cele mai complexe din punct de vedere structural.
Capitolul 2 – „Stadiul actual al cunoașterii în domeniul prehensiunii antropomorfe pentru roboți” își propune un studiu critic al sistemelor de prehensiune și a subsistemelor ce le compun, precum și o sistematizare a prehensoarelor în funcție de numărul de degete, posibilitățile de prehensare și posibilitățile de contactare a obiectelor. Sunt analizate prehensoarele antropomorfe reprezentative cu două, trei, patru și cinci degete, pornind de la primele încercări în domeniu până la cele mai performante utilizate în prezent la protezare și roboți.
Capitolul 3, intitulat „Prehensiunea; elemente de teorie generală” dezbate procesul de prehensiune din punct de vedere al condițiilor minime de prehensiune precum și aspecte teoretice privind contactul dintre elementele prehensorului și obiectul prehensat.
Capitolul 4, intitulat „Studiul echilibrului și mișcării la prehensoarele antropomorfe cu bare articulate” dezbate aspecte ale geometriei mecanismelor, parametrii geometrici și funcționali ai mecanismului de acționare, cu propunerea de variante constructive noi, analizate din punct de vedere cinetostatic.
Capitolul 5 – „Dezvoltări privind particularitățile constructive ale elementelor de contact cu obiectul prehensat” tratează posibilitațile de prehensiune, aducând completări clasificării prehensiunii realizate de Cutkosky și Wright. Sunt analizate posibilități de prindere ale mâinii umane, ca și punct de plecare în conceperea unui prehensor cu număr redus de degete capabil să prindă obiecte cu suprafețe complexe.
Capitolul prezintă și un concept nou de bac, capabil să contacteze obiecte cu geometrii diferite, îndeplinind totodată condițiile minime de prehensiune.
Capitolul 6 – „Proiectarea optimală – designul conceptual al prehensorului antropomorf” este unul de creație inginerească, prin care se caută soluția reprezentativă de mecanism. Pentru început se face o analiză multicriterială a variantelor de mecanisme existente, analizate în capitolele anterioare, apoi, prin metoda Brainstorming, se emit idei, iar cu ajutorul unei analize morfologice se află varianta căreia i se vor valida reciproc modelul fizic și virtual.
Sunt prezentate metode de proiectare și analiză inginerească, precum și pașii necesari creării unui sistem de prehensiune nou. În capitol se definește soluția finală a mecanismului cu număr redus de degete (mecanism nou, propus de autor).
Capitolul 7 – „Conceperea și realizarea standului de încercari și a experimentelor” Cu ajutorul softurilor SolidWorks și AUTOCAD se realizează modelele virtuale ale mecanismului optimizat la capitolul anterior. Înainte de a realiza standul experimental sunt expuse cerințele și condițiile pentru testare. După aceea se trece la experimentarea fizică a soluției identificate și transpuse în practică. În final se realizează testări ale procesului de prehensiune. În partea a doua a capitolului se validează experimental rezultatele teoretice exprimate în cadrul capitolelor patru, cinci și șase.
Capitolul 8, numit „Evaluarea rezultatelor, formularea de concluzii și recomandări arată contribuțiile originale ale autorului și enumeră formele de diseminare a rezultatelor pe toată durata cercetărilor.
Capitolul 9, ” BIBLIOGRAFIA” este compusă din toate sursele de inspirație folosite la realizarea acestei teze de doctorat: publicații și monografii, brevete de invenție, contracte de cercetare, lucrări științifice și, nu în ultimul rând, internet.
STADIUL ACTUAL AL CUNOAȘTERII ÎN DOMENIUL PREHENSIUNII ANTROPOMORFE PENTRU ROBOȚI
Capitolul își propune să prezinte fazele esențiale ale dezvoltării prehensiunii antropomorfe, pe baza sistemelor de prehensiune de referință, începând cu cele mai simple prehensoare antropomorfe până la cele mai complexe.
Analiza condițiilor minime de prehensiune și contactul cu obiectul ca și puncte de start pentru capitolele viitoare.
2.1. Considerații preliminare; noțiuni de bază
“Robotica este știința care se ocupă cu design-ul, tehnologia și fabricarea roboților. Robotica necesită cunoștințe de electronică, mecanică și programare, iar persoana care lucrează în acest domeniu a ajuns să fie cunoscută ca robotician.
Denumirea de robot a fost introdusă pentru prima oară de catre Karl CAPEK în anul 1921 în lucrarea sa "Roboții universali ai lui Rossum", plecând de la cuvântul ROBOTA, muncă, activitate de rutină” [www1].
Bazele roboților de azi stau mult mai departe. Primele modele de mașini pot fi mai degrabă numite automate (provenind din grecescul automatos, care se mișcă singur). Acestea nu puteau executa decât câte un singur obiectiv, fiind constrânse de construcție.
Anul 1956 este considerat ca anul nașterii robotului industrial. George Devol a depus în acest an în SUA un patent pentru "transferul programat de articole". Câțiva ani după aceea a construit împreună cu Joseph Engelberger, UNIMATE. Acest robot de cca. două tone a fost mai întâi introdus la montarea de iconoscoape pentru televizoare, găsindu-și apoi drumul în industria de automobile. Programele pentru acest robot au fost salvate sub formă de comenzi direcționate pentru motoare pe un cilindru magnetic. Din acest moment se introduc roboți industriali ca UNIMATE (figura alăturată) în multe domenii ale producției, fiind permanent dezvoltați pentru a putea face față cererilor complexe care li se impun” [www2].
Fiecare robot este dotat cu “end-efector”. End-efectorul este un sistem atașat robotului care asigură finalitatea operațiunilor robotului și justifică existenta acestuia. End-efectorul este “cel care face”; poate fi un sistem de sudură, de vopsire, de gravură, de prehensiune ș.a.
Sistemele de prehensiune sunt complexe de elemente capabile să asigure cele cinci faze ale prehensiunii. Aceste sisteme realizează prehensiunea prin intermediul forțelor mecanice de contact generate între elemente ale lor și obiectul prehensat.
Structura acestor sisteme de prehensiune este caracterizată prin aceea că subsistemul de execuție este un subsistem mecanic. Acest subsistem mecanic este, de obicei, un mecanism format din elemente rigide.
Deoarece sistemele artificiale de prehensiune mecanice (SAPM) se diferențiază, în primul rând, prin construcția mecanismului, principalul criteriu de clasificare a SAPM este funcție de particularitățile acestei construcții.
Mecanismele antropomorfe de prehensiune sunt mecanisme ce au geometrie și funcționalitate asemănătoare cu mâna umană și se pot împărți în două mari categorii:
– mecanisme antropomorfe de prehensiune pentru roboți,
– mecanisme antropomorfe pentru protezarea mâinii umane.
Primele cercetari au fost direcționate în sfera protezării (exemplul protezei Goetz) și abia începând cu secolul XX au cunoscut dezvoltare și în sfera roboticii.
2.2. Nivelul actual al dezvoltării prehensiunii antropomorfe
2.2.0. Elemente generale
Sistemul de prehensiune se constituie dintr-o mulțime de elemente între care există o relație de interdependență și se compune din subsistemele: subsistemul energetic, subsistemul de execuție, subsistemul de măsurare și senzorial și subsistemul de prelucrare a informației și de comandă, așa cum reiese din figura 2.1.
Figura. 2.1. – Sistemul de prehensiune [STA 01]
Subsistemul energetic furnizează energia necesară funcționării întregului sistem.
Subsistemul de execuție este un ansamblu mecanic prin intermediul căruia se realizează prinderea obiectului. Acesta cuprinde subsistemul de acționare, subsistemul de transmitere a mișcării și end-efectorul (prehensorul).
Subsistemul de măsurare și senzorial culege informații din mediul intern si extern sistemului de prehensiune.
Subsistemul de prelucrare a informației și de comandă prelucrează informațiile primite de la subsistemul de măsurare și senzorial, comandând apoi mișcările necesare realizării prehensiunii.
Din punct de vedere structural, sistemele de prehensiune pot fi clasificate în naturale și artificiale.
Sistemele naturale de prehensiune sunt cele care se întâlnesc la diverse viețuitoare.
Sistemele artificiale de prehensiune sunt cele concepute și realizate pentru protezarea mâinii umane sau pentru utilizarea la roboți industriali.
Primele sisteme artificiale de prehensiune folosite de om (încă din cele mai vechi timpuri) au fost sisteme de legare, capabile să se poziționeze lânga obiect: imobilizează obiectul, îl transportă în alt loc, apoi îl eliberează. Astfel de sisteme nu sunt capabile să asigure o prehensiune sigură, astfel au apărut sistemele mecanice simple, acționate manual, cum sunt cleștele de fierărie sau cel de transport al buștenilor, figura 2.2.
Figura 2.2. – Unelte simple de prehensiune (a – sfoară, b – clește, c – gheare)
Mâna umană, considerată a fi atins cel mai înalt nivel de evoluție, constituie principala sursă de inspirație pentru crearea sistemelor artificiale de prehensiune și mai ales a sistemelor antropomorfe de prehensiune.
Prehensoarele antropomorfe pentru roboți se disting în cadrul sistemelor artificiale de prehensiune prin două caracteristici esențiale: geometrie asemănătoare mâinii umane și flexibilitate în exploatare.
Privite ca și element final al unei structuri robotizate, prehensoarele amtropomorfe, în funcție de complexitatea mecanică și electonică pe care o au, asigură robotului performanțe ridicate și flexibilitate. Astfel un robot echipat cu un prehensor antropomorf poate fi capabil să prehenseze obiecte cu diferite geometrii și dimensiuni.
2.2.1. Sistematizarea prehensoarelor mecanice antropomorfe pentru roboți
Prehensoarele Mecanice Antropomorfe pentru Roboți (PMAR) sunt realizate prin similitudine cu mâna umană, cu care se aseamănă prin folosire numai a cuplelor de rotație și utilizarea a două sau mai multe degete articulate, cu câte două, trei sau mai multe falange. Pe de altă parte, aceste prehensoare se deosebesc net de structura mâinii și implicit de protezele pentru mână, prin aceea că pot avea un număr de degete diferit de cinci, dispuse într-o poziție relativă oarecare, pot avea dimensiuni diferite de mână și o structură chiar puțin asemănătoare cu aceasta [STA 00].
Exemplificarea unor operații de prehensiune și micromanipulare posibile cu astfel de prehensoare este dată în figura 2.3.; prehensorul din figură este concepție proprie.
Figura 2.3. – Poziții specifice de prehensiune și micromanipulare ale
prehensoarelor antropomorfe pentru roboți
Sistematizarea Prehensoarele Mecanice Antropomorfe pentru Roboți se realizează ținând cont de urmatoarele criterii:
Tipul energiei folosite,
Elementul motor,
Tipul mecanismului de transmitere a mișcărilor,
Tipurile de traductoare și senzori utilizați,
Tipul și forma mecanismului de prindere (end-efectorul). End-efectorul (prehensorul mecanic antropomorf) se poate analiza în funcție de numărul degetelor, numărul falangelor pe fiecare deget, dimensiunile relative ale falangelor, poziționarea reciprocă a degetelor.
Sistematizarea prehensoarelor funcție de energia de acționare (prehensoare acționate electric)
Sistematizarea prehensoarelor funcție de subsistemul de acționare
Motoarele ultrasonice câștigă teren în domeniul roboticii datorită dimensiunilor reduse și a performanțelor în raport cu acestea. Luând ca exemplu motorul ultrasonic liniar prezentat, acesta poate să dezvolte viteze de 5 mm/s și forțe de 8N.
Sistematizarea prehensoarelor funcție de subsistemul de transmitere a mișcării
Sistematizarea prehensoarelor funcție de subsistemul senzorial folosit
Multitudinea variantelor constructive ale subsistemelor ce constituie un prehensor, arată posibilitățile de combinare a acestora, astfel încât performanțele lui să fie maxime [PHA 86].
Identificăm astfel un număr de Ai x Bi x Ci x Di sisteme de prehensiune de bază ce pot fi obținute prin combinarea acestora. Obținem astfel un număr de 3x15x4x8=1440 variante de bază, fără să luăm în calcul tipul mecanismului de prindere (ultimul criteriu).
Numărul variantelor constructive ale prehensoarelor antropomorfe este mult mai mare prin utilizarea mai multor tipo-dimensiuni din fiecare subsistem. Ca exemplu, un prehensor poate să fie dotat cu senzori tactili, dar și de alunecare, traductoare, s.a.
Sistematizarea prehensoarelor funcție de tipul mecanismului de prindere
Conform ultimului criteriu, sunt cunoscute până în prezent prehensoare antropomorfe cu două, trei, patru, cinci și șase degete. Degetele pot avea una, două, trei sau chiar patru falange și pot fi identice sau diferite. Considerând, într-un caz simplificat, că la un deget axele cuplelor de rotație pot fi paralele sau perpendiculare, se pot identifica variantele structurale din figura 2.4.
Figura 2.4. – Variantele structurale ale unui deget în funcție de poziția relativă
a axelor cuplelor [STA 96].
Relativ la posibilitățile de contactare a obiectului de către un deget, numărul lor depinde de numărul falangelor. Ținând cont că o singură falangă poate anula până la 6 grade de mobilitate, deci 7 posibilități de contact cu obiectul prehensat (0,1,2,3,4,5,6) și presupunând că degetul are 3 falange, există 343 (73) posibilități de contactare. Pentru cazul general, pentru un prehensor cu k degete, dintre care fiecare poate contacta obiectul în n moduri, rezultă n(n+1)…(n+k-1)/k! posibilități [STA 00].
Considerând un prehensor cu trei degete, cu una până la trei falange pe deget, vom obține 6.784.540 astfel de situații. Variantele de contactare ale unui obiect de către un deget sunt arătate în figura 2.5.a., deci 8 cazuri distincte. Aceste situații permit apoi enumerarea posibilităților de contactare ale unui obiect cu câte 2 degete, cu câte 3 degete sau mai multe degete. În figura 2.5.b., sunt arătate exemple de contactare cu trei degete cu câte una sau mai multe falange. Enumerarea acestor variante permite identificarea unor configurații optime și implicit a structurilor ce asigură prehensiunea în situații cât mai diverse. Falangele pot avea aceeași dimensiune, dimensiuni diferite sau dimensiuni proporționale cu cele ale degetelor mâinii.
În ceea ce privește poziționarea relativă a degetelor, aceasta poate fi asemănătoare ca la mâna umană, degetele pot fi așezate în plane diferite sau același plan.
2.2.2. Particularități constructive și funcționale ale prehensoarelor
antropomorfe pentru roboți
Evidențierea principalelor caracteristici constructive și funcționale ale prehensoarelor antropomorfe pentru roboți se face prin prezentarea variantelor semnificative realizate până în prezent, ordonate în funcție de numărul degetelor.
Deși sistemele antropomorfe de prehensiune au cunoscut o impresionantă dezvoltare tipo-dimensională, probabil și datorită firmelor specializate în proiectarea și execuția acestora, înainte de a cataloga drept eficiente sau nu anumite structuri, se impune realizarea unor analize, a căror eficiență se va reflecta ulterior în cadrul prețului de cost al sistemului.
Prehensoarele cu două degete prezintă dezavantajul încăpacității de anulare a tuturor gradelor de libertate care asigură prehensiunea, mai ales în condițiile prehensării unor piese fragile. Acestea sunt însă foarte eficiente în cazul înlocuirii degetelor cu bacuri.
Prehensoarele cu trei degete se pot confrunta cu aceeași problemă în situația prehensiunii unor obiecte ce prezintă suprafețe complexe, însă prehensiunea este asigurată din punct de vedere al forțelor liniar independente.
Prehensoarele cu patru degete tind să acapareze „piața” sistemelor antropomorfe datorită funcțiilor asemănătoare mâinii umane în procent de 98% (funcție de gradele de mobilitate). Cu siguranță aceste tipuri de prehensoare vor avea de câștigat doar în domeniile care impun posibilități de prehensiune deosebite, căci odată cu creșterea numărului de degete crește și costul acestuia.
Prehensoarele cu cinci degete vin să întâmpine dorința de a da aspect umanoid roboților, tinzând către atingerea performanțelor mâinii umane sau chiar mai mult, cum este cazul prehensoarelor cu șase sau mai multe degete; aceste prehensoare pot avea performanțe deosebite, însă în funcție de gradele de mobilitate și dotările suplimentare cu senzori și traductoare, costurile pot fi prea ridicate pentru a le justifica existența.
a. Prehensoare cu două degete
Pot avea două degete similare cu ansamblul police-deget arătător de la mână; degetul arătător având două falange (figura 2.6.) sau două degete egale cu un număr mai mare de falange ca în cazul prehensorului Bianchi. La acesta, prehensiunea este realizată între părțile active ale ultimelor falange și un element cu rol de palmă (figura 2.7.). Sistemul de acționare se constituie din cabluri acționate de la un motor electric [BIA 78].
b. Prehensoare cu trei degete
Prehensoarele antropomorfe cu trei degete sunt cel mai mult studiate, datorită faptului că prehensiunea corpurilor solide nedeformabile, considerând frecarea, necesită minimum trei puncte de contact. Prin analogie cu mâna umană pot realiza majoritatea operațiilor de prehensiune cu numai trei degete: degetul mare, degetul arătător și mijlociu sau inelar. Celelalte două degete asigură gradul de redundanță al mâinii (caracteristică comună majorității sistemelor naturale) și posibilitatea unor operații de micromanipulare. Amintim aici cele mai semnificative variante cunoscute în literatura de specialitate [PAN 02].
Prehensorul Crossley [CRO 77] a fost realizat în perioada de pionierat a studiului prehensiunii antropomorfe și are trei degete acționate prin intermediul unui mecanism cu fire și roți dințate (figura 2.8.a., b.). Degetele au câte două falange, iar poziția lor relativă este asemănătoare cu cea de la mână.
Prehensorul Okada [OKA 82] are trei degete așezate pe un plan în vârfurile unui triunghi dreptunghic. Cele trei degete corespund degetului mare, degetului arătător și degetului mijlociu, fiecare cu câte trei falange proporționale ca dimensiune cu cele ale degetelor mâinii. Degetele arătător și mijlociu au câte patru articulații monomobile de rotație, cele cu palma fiind pe aceeași axă, iar degetul mare are trei articulații de rotație, cea cu palma având axa dispusă la un unghi de 40 față de axa comună celorlalte două degete.
Prehensorul are 7 grade de mobilitate, ce corespund celor 11 cuple de rotație acționate prin fire de către motoare electrice. Are o greutate de numai 0,24 kg și poate prehensa obiecte cu greutăți până la 0,5 kg. (figura 2.9.a., b.).
Prehensorul Du Lian are trei degete dispuse în vârfurile unui triunghi isoscel, alcătuite din câte trei falange egale (figura 2.10.). Degetul care ar corespunde degetului mare este așezat în planul median al celorlalte două și are axa cuplei de la bază înclinată cu 60 față de planul în care se găsesc axele cuplelor cu baza (palma) ale celorlalte două degete. Acționarea este realizată prin intermediul unui mecanism cu fire [STA 96].
Prehensorul Stanford este unul dintre cele mai cunoscute (figura 2.11.a.). Acesta are trei degete egale formate din câte două falange, dispuse sub formă de triunghi isoscel. Fiecare deget are trei articulații monomobile de rotație, articulațiile fiind acționate independent, prin intermediul firelor, deci gradul de mobilitate M = 9. Schema de acționare cu fire a unui deget este arătată în figura 2.11.b. Trebuie subliniat faptul că numai ultima falangă este destinată să contacteze obiectul prehensat.
Prehensorul Barrett este un prehensor antropomorf programabil, cu trei degete. Fiecare deget are câte un grad de libertate. Pentru a mări numărul de obiecte prehensabile și pentru a-i spori dexteritatea, la nivelul palmei mai există un grad de libertate ce permite deplasarea concomitentă a degetelor laterale către degetul opozabil. Această cuplă de rotație poate fi comandată în poziție sau se poate opta pentru o incrementare cu o valoare fixă a poziției curente. De asemenea, momentul la nivelul acestei cuple poate fi prestabilit programatic.
Acest prehensor are o greutate de 1,18 kg, sarcina maximă manipulabilă de 6 kg și o forță la nivelul vârfului degetului de 15 N, programabilă (figura 2.12.).
Unul dintre cele mai importante mecanisme ale prehensorului Barrett îl reprezintă comutatorul de moment. Acest dispozitiv permite folosirea unui singur motor pentru a comanda două falange. În momentul în care prima falangă intră în contact cu obiectul ce urmează a fi prehensat, comutatorul transferă momentul dispozitivului de acționare la a doua falangă. În felul acesta prehensorul poate să prehenseze obiectul prin cuprinderea acestuia. Modalitatea de funcționare este asemănătoare cu a unui dispozitiv simplu de înșurubare. Teoretic, cuplul necesar pentru a strânge șurubul este egal cu cel necesar pentru desfacerea acestuia (neglijând inerția și deformarea materialelor). Forța necesară pentru a declanșa comutatorul de cuplu este programabilă și poate fi specificată în funcție de tipul de operație ce se are în vedere [www3].
c. Prehensoare cu patru degete
Prehensoarele cu patru degete pot avea performanțe remarcabile datorită faptului că patru degete pot asigura performanțe în sfera micromanipularii obiectelor. Un astfel de prehensor este prehensorul Iacobson [JAC 84], cunoscut în literatură sub numele de UTAH/MIT, fiind realizat prin colaborarea centrului de proiectare biomedicală a Universității din UTAH cu Institutul de tehnologie din Massachussetts (SUA).
Prehensorul este asemănător mâinii umane. Fiecare deget are patru articulații de rotație acționate independent prin fire (deci un grad de mobilitate M = 16). Fiecare deget, acționat ca în figura 2.13., poate contacta obiectul prehensat cu partea inferioara a falangelor. Controlul prehensiunii se realizează prin intermediul senzorilor de forță amplasați în zonele de contact.
d. Prehensoare cu cinci degete
Deși au existat încercări în sensul conceperii prehensoarelor cu cinci degete încă din deceniul cinci al secolului trecut, despre variante performante se poate vorbi numai în ultimii ani ai secolului XX. Un exemplu de astfel de prehensor este reprezentat în figura 2.14.
Acest prehensor are aspectul mâinii, dar este destinat pentru greutăți mult mai mari și, ca urmare, are dimensiuni mai mari decât mâna. Acționarea falangelor este realizată prin intermediul unor fire asemănătoare tendoanelor comandate prin motoare liniare.
Prehensorul este dotat cu senzori de contact, deschizând drumul spre dezvoltarea senzorilor tip piele artificială.
Prehensoarele cu cinci degete sunt în general folosite ca și sisteme de protezare, iar în ultimii ani au cunoscut o dezvoltare puternică, intrând în componența roboților umanoizi (ex: ASIMO).
e. Prehensoare cu șase degete
Prehensorul cu șase degete poate avea posibilități de prehensiune și microghidare deosebite, după cum se observă în figura 2.15.a.
Schema de acționare a unui deget este arătată în figura 2.15.b. Justificarea unor degete suplimentare față de configurația mâinii umane este una pur științifică, știind faptul că 98% dintre manipulările efectuate se pot face cu doar patru degete, iar mâna umană (cu cinci degete) a atins cel mai înalt nivel al posibilităților de prehensare [DUN 95].
2.3. Realizări recente în domeniul prehensiunii antropomorfe
În figura 2.16.a. este prezentată structura antropomorfă -The Shadow project – Anglia. Aceasta prezintă 21 de grade de mobilitate (fiecare deget are 4 grade de mobilitate, iar degetul mare are 5 grade de mobilitate); în figura 2.16.b. este prezentată schema cinematică a mecanismului [www4].
Prehensorul cântarește 4 kg, iar performanțele lui sunt asemănătoare mâinii umane.
Varianta din figura 2.17., realizată de Dainichi Company, Ltd. Kani, Japonia, are 20 de cuple și 16 grade de mobilitate (câte 3 pe degete și 4 pe degetul mare), o masă de 1,4 kg, forța de prehensare de 2,7 N. Degetele sunt acționate de mici servo-motoare, amplasate în interiorul degetelor [www5]; [KAW 02]; [KAW 99].
În figura 2.18.a. este prezentată o variantă oferită de firma franceză Techno Concept (în variante cu 3, 4 sau 5 degete).
Varianta prezentată în figura 2.18.b. are 6 grade de mobilitate (câte unul pe fiecare deget și 2 pe degetul mare), este destinată protezării și a fost realizată la Universitatea din Southampton [www6].
În figura 2.19. este prezentată o variantă antropomorfă cu cinci degete dezvoltată de Harbin Institute of Technology (HIT) și German Aerospace Center (DLR) [www7]. Prehensorul este modular, având cinci degete, fiecare deget are patru cuple și 3 grade de mobilitate. Acționarea se face cu 15 motoare montate în interiorul falangelor și în palmă, controlul prehensiunii fiind făcut prin intermediul senzorilor de presiune de pe falange.
SKKU Hand III , prezentat în figura 2.20. este un prehensor antropomorf cu patru degete, are 13 grade de mobilitate (câte 3 pentru fiecare deget și 4 pentru degetul opozant); acționarea este electrică [www8].
Prehensorul ELU-2 Hand, prezentat în figura 2.21., dezvoltat de Elumotion Ltd., poate fi montat pe diferite brațe robotice, este fiabil, cu nouă grade de mobilitate. Mobilitatea prehensorului este asemănătoare mâinii umane, având și posibilități de micromanipulare, vitezele în cuple pot să ajungă la 183 deg/secundă. Controlul este bazat pe senzori tactili amplasați pe falange [www9]. Posibilitățile vaste de prehensare au la bază și introducerea unor cuple de rotație între zona metacarpiană și cea a falangelor proximale (a se vedea și figura 2.22. – Scheletul mâinii umane).
În figura 2.23. – Bebionic Hand – se prezină un sistem de prehensiune antropomorf destinat protezării. Este un produs al RSL Steeper [www10] [www11]. Are la bază un mecanism comandat și controlat electric și design aproape identic mâinii umane.
Sistemul de acționare este amplasat în palmă, fiecare deget fiind acționat independent, controlul făcându-se cu ajutorul senzorilor de forță. Dimensiunile sunt asemănătoare mâinii umane, dispunând de o gamă variată de dimensiuni și culori.
Prima versiune a fost prezentată la ”World Congress and Orthopädie & Reha-Technik, Trade Show”, Leipzig, Germany în luna Mai 2010 [www18]. În anul 2011 RSL Steeper lansează pe piața protezelor Bebionic 2 cu îmbunătățiri aduse în sfera materialelor utilizate, a vitezei și acurateții prinderii. În prezent, acest sistem de protezare, considerat cel mai performant din lume, a ajuns la versiunea 3. Bebionic 3 este capabil să execute mișcări asemănătoare mâinii umane, de la prinderea unui creion până la utilizarea unui mouse pentru calculator. Prehensorul poate fi achiziționat la un preț între 30.000 și 35.000 Euro, funcție de dotări (figura 2.24).
A fost îmbunătățit și design-ul exterior, un strat de silicon în diferite nuanțe ale pielii, dând aspect autentic natural prehensorului.
Figura 2.24. – Informații tehnice [www19]
Tabelul 2.2- Date tehnice [www19]
2.4. Concluzii și obiective
Sistematizarea structurală prezentată a prehensoarelor antropomorfe permite reliefarea unei varietăți deosebite de prehensoare privind subsistemele energetic, de acționare, transmitere a mișcărilor, senzorial, numărul degetelor, numărul falangelor, poziționarea relativă a degetelor, dimensiunile relative ale falangelor, gradul de mobilitate.
Marea varietate constructivă a prehensoarelor antropomorfe rezultă nu numai în funcție de criteriile de mai sus, ci și de sistemul de comandă și control.
În funcție de destinația prehensorului, constructorul a gândit/realizat propria soluție constructivă. Se constată că aceste soluții constructive sunt complexe și realizate cu costuri ridicate.
Analiza critică a sistemelor de prehensiune antropomorfe, a evidențiat urmatoarele aspecte:
– Întrucât prehensoarele antropomorfe nu sunt utilizate încă în producția de serie, nivelul de dezvoltare în acest domeniu este doar în stadiul de prototipare (în general se crează și se testează unicate). Astfel nu există dezvoltări privind domeniul proiectării optimale.
– Deși exista în literatura de specialitate studii privitoare la modelarea matematică a prehensiunii și a condițiilor minime de prehensiune, zona de contact dintre degete și obiect, nu este suficient tratată din punct de vedere al optimizării contactului și a generării forțelor de prehensiune.
– Performanțele prehensoarelor sunt direct proporționale cu complexitatea acestora; nu există prehensoare simple dar cu performanțe ridicate.
– Complexitatea subsistemelor mecanice și a subsitemelor de comandă și control influențează exponențial costul acestora, depășind 35.000 euro/ bucată.
– Clasificarea prehensiunii funcție de putere și precizie – realizată în 1986 de Cutkosky și Wright (considerată cea mai completă), nu a luat în calcul posibilitățile prinderii de putere cu două degete și de precizie cu două degete (fără police).
Obiectul central al prezentei lucrări este acela de a concepe/proiecta o serie de prehensoare antropomorfe mai simple constructiv care să asigure totuși prinderea sigură a obiectelor de forme și dimensiuni complexe.
Obiectivul central este susținut de obiectivele teoretice și experimentale:
– Stabilirea condițiilor minime de prehensiune și echilibrul static al obiectului prehensat;
– Analiza critică a prehensiunii, bazată pe performanțele mâinii umane;
– Dezvoltarea unor structuri mecanice noi, simple și fiabile;
– Comportamentul cinematic – funcțional al prehensoarelor proiectate și formularea de concluzii care să stea la baza obținerii unei structuri mecanice de prehensiune optimă;
– Identificarea unor soluții privind optimizarea contactului dintre prehensor și obiectul prehensat (bacuri);
– Optimizarea mecanismului de transmitere a mișcării cu bare articulate;
– Proiectarea și testarea structurii mecanice în mediul CAD, cu definirea conceptului de proiectare optimală și pașii necesari realizării acestui proces;
– Conceperea și realizarea de stand experimental și efectuarea de teste pe modelul de prehensor propus, respectiv pe standul realizat.
Toate rezultatele teoretice și dezvoltările conceptelor noi vor fi validate experimental.
PREHENSIUNEA; ELEMENTE DE TEORIE GENERALĂ
Capitolul își propune să prezinte bazele teoretice ale prehensiunii prin modelare matematică, definind condițiile minime de prehensiune.
O atenție deosebită este acordată zonei de contact dintre prehensor și obiectul prehensat precum și contițiilor ce trebuie îndeplinite astfel încât forțele generate în această zonă să asigure prinderea sigură a obiectelor.
3.1. Prehensarea obiectului. Echilibrul static al obiectului
Un sistem mecanic de prehensiune este format din corpuri rigide ce includ o structură mecanică, un element motor care generează puterea mecanică de acționare, un subansamblu care transmite puterea mecanică de la motor la elementele care realizează contactul cu obiectul prehensat și obiectul destinat prehensiunii. Pentru asigurarea unei prinderi sigure, deci o exploatare sigură a sistemului de prehensiune, trebuie avut în vedere contactul mecanic între prehensor și obiect și forțele ce intervin în zonele de contact.
3.1.1 Modelarea contactului mecanic
Considerand o forță de contact ca vector alunecător , iar fiind momentul acestei forțe în raport cu un centru O, definim torsorul în centrul O al vectorului ca fiind ansamblul format din vectorul liberși vectorul legat . [STA 96]
Într-un punct oarecare A , vectorul rezultant al unui câmp de vectori , va fi:
Considerând punctele Pi originile vectorilor (in acelasi punct A) se obține un moment rezultant:
Torsorul vectorilor , în punctul A va fi notat:
Pentru scrierea matriceală a torsorului vom considera un sistem de referință triortogonal de axe x, y, z cu vectorii și originea O, un vector de contact are componentele pe axe
(3.5)
deci matricea asociată este:
Exprimând de-a lungul axelor vectorul în punctul O rezultă
în care Mix, Miy,Miz sunt componentele scalare după axele sistemului de referință{O, i, j, k}, iar xi, yi, zi sunt componentele scalare ale vectorului de poziție după aceleași axe.
Astfel,
În scriere matricială, torsorul vectorului (denumit torsor static), față de punctul O este:
3.1.2 Echilibrul obiectului – teorie generală
Ca și definiție: Condiția necesară și suficientă pentru ca un corp solid, să fie în echilibru este ca într-un punct oarecare din spațiu, torsorul sistemului de forțe care acționează asupra lui să fie zero:
Proiectând aceste relații pe axe, se obțin următoarele condiții de echilibru:
Considerând și frecarea, trebuie îndeplinite și condițiile { } { } și { } { }, unde { } este mulțimea forțelor aplicate solidului, { } mulțimea forțelor de frecare, { M } mulțimea momentelor forțelor aplicate, iar { } mulțimea momentelor forțelor de frecare (figura 3.1).
Considerând două solide în contact mecanic, Sd1 si Sd2, sub acțiunea solicitărilor active { , }, i=1,…, n, rezultă o zonă de contact Ω
Considerând că zona de contact Ω aparține unui plan π și că { , } este torsorul reacțiunilor elementare în raport cu centrul de greutate A al suprafeței Ω, elementele torsorului în A se descompun după o direcție normală în A la planul π ace au componentele și și după o direcție conținută în planul π având componentele .
Astfel,
unde este reacțiunea normală, forța de frecare de alunecare, momentul de frecare de pivotare și momentul de frecare de rostogolire.
Reacțiunea normală se opune deplasării corpului Sd1 pe direcția n-n, forța de frecare de alunecare se opune alunecării corpului sau tendinței de alunecare a corpului în planul π, momentul de frecare de pivotare se opune rotirii sau tendinței de rotire a corpului în jurul normalei n-n la planul π, iar momentul de frecare de rostogolire se opune rotirii sau tendinței de rotire a corpului în jurul axei ( Δ ), conținută în planul π .
Conform legilor lui Coulomb pentru echilibru este necesar ca
unde υ coeficient de frecare de pivotare, μ este coeficient de frecare la alunecare, iar s coeficientul de frecare de rostogolire.
Dacă relatiile 3.13 sunt satisfăcute, corpul se află în repaus.
Dacă reducem corpul solid, la un punct material, în cazul contactului cu un plan (fig. 3.2), condiția necesară de echilibru a punctului material este , iar condiția necesară și suficientă de echilibru este α φ , unde: este forța de frecare, este reacțiunea normală, este forța variabilă activă ce acționează asupra punctului material, este rezultanta forțelor efectiv aplicate, este reacțiunea totală, tg φ =μ , iar α este unghiul dintre suportul rezultantei forțelor active și normala la plan.
Considerând o suprafață oarecare, dreapta care trece prin punctul A și face cu normala An la suprafață, unghiul de frecare φ (fig. 3.3) generează un con cu două pânze denumit con de frecare. Pentru echilibru este necesar ca suportul rezultantei a forțelor efective aplicate punctului A să fie situate în interiorul conului de frecare sau, la limită, pe suprafața laterală a conului.
3.1.3 Echilibrul unui sistem de corpuri solide
Pentru un sistem de corpuri solide nedeformabile (fig. 3.4) asupra căruia acționează solicitările exterioare {, }, i=1, …,n și reacțiunile interioare (din cuple) {, } (i, j N , ij ) condițiile de echilibru ale sistemului (format din solicitările exterioare și reacțiunile exterioare și interioare) sunt:
Cu și au fost notați vectorii de poziție ai forțelor respectiv .
Prin proiecția condițiilor de echilibru pe axele unui reper triortogonal se vor obținute un număr de ecuații liniare scalare de echilibru utilizate la determinarea reacțiunilor interioare sau exterioare sistemului.
3.1.4 Condițiile minime de prehensiune statică
În figura 3.5 se prezintă presiunea unui corp solid, deformabil elastic, asupra căruia acționează forțele de contact , normale la suprafața corpului în punctele Pi (i=1,…,n).
În fiecare punct Pi atașăm un sistem de referință triortogonal {Pixiyizi}, cu versori ii, ji, ki, astfel ca axa zi să coincidă cu normala (Pini) la suprafața corpului.
Vom considera fiecare punct Pi ca fiind centrul de greutate al unei zone de contact de suprafață Ωi dispusă într-un plan π tangent la suprafața corpului în punctul Pi.
Astfel în punctele Pi se dezvoltă următoarele forțe:
– este o forță de contact ce are ca suport normala la suprafața corpului,
– o forță de frecare dispusă în planul tangent la suprafața corpului
– un moment de frecare de pivotare care are ca suport aceeași normală .
Forța de frecare se opune mișcării de alunecare în planul π și se descompune în două componente independente după axele dispuse în planul π, ale sistemului de referință Pixiyizi, iar momentul de frecare de pivotare se opune mișcării de pivotare în jurul normalei.
În sistemele de referință Pixiyizi, fiecărui vector forță, respectiv moment, îi corespunde un torsor în punctul Pi.
În scriere matriceala:
Renunțând la scalarii Fi, Mi, vom obtine torsorii elementari.
Torsorii din punctul Pi se exprimă în punctul O, (originea sistemului de referință OX0Y0Z0). Exprimarea torsorilor în sistemul de referință fix se face cu formula matriceală:
TPiO este matricea de trecere între cele două sisteme de referință și are forma:
în care rPiO sunt coordonatele distanței PiO în sistemul de referință fix cu originea în O, iar CPiO este matricea cosinușilor directori care caracterizează poziția unghiulară relativă a celor două sisteme de referință. Luând în calcul:
iar Δ(rPiO) este matricea antisimetrică corespunzătoare vectorului de poziție :
Se scrie torsorul forței Fi în punctul O, sub forma:
Se poate astfel forma matricea G in baza torsorilor exprimați în sistemul de referință fix.
G, este astfel matricea de prehensiune
Astfel, condiția necesară de prehensiune a corpului considerat, față de originea sistemului de referință fix, este:
Aceasta înseamnă că prin acțiunea forțelor de contact asupra suprafeței corpului prehensat, sunt generate 6 forțe liniar independente care vor bloca cele 6 mișcări liniar independente posibile.
La condiția de mai sus, se impune sa adaugăm și condiția de echilibru static a sistemului forțelor de legătură (de contact). În cazul în care s-ar utiliza un sistem de șase legături independente (de rang 6), condiția de echilibru static conduce la un sistem omogen de șase ecuații cu șase necunoscute, care nu admite decât soluția banală și în consecință prehensiunea nu se poate realiza.
Pentru prehensiunea unui corp sunt, în consecință, necesare cel puțin șapte legături exterioare (Σc=7) de rang 6 și astfel condiția echilibrului static conduce la un sistem omogen de 6 ecuații independente cu 7 necunoscute. Deci șase dintre forțele de legătură se pot calcula în funcție de cea de-a șaptea forță care este nedeterminată (independentă), iar prin intermediul acesteia se reglează prehensiunea corpului.
În cazul în care se neglijează frecarea, numărul legăturilor dintre corp și elementelor de contact este egal cu numărul contactelor punctiforme, iar în premisa considerării frecării, corpurile fiind nedeformabile, numărul legăturilor este de trei ori mai mare (în fiecare contact punctiform o legătură este materializată prîntr-o forță normală pe planul de tangență și două legături corespund forțelor de frecare liniar independente din planul de tangență); prin urmare, prin considerarea frecării, numărul contactelor punctiforme necesare este considerabil mai mic.
În situația în care asupra corpului acționează și forțe exterioare cum ar fi: forța de greutate și forța de inerție, condiția de prehensiune a corpului considerat presupune ca torsorul rezultant al tuturor forțelor în punctul O (originea sistemului de referință fix) să fie nul.
3.2. Elementul de legatură Prehensor-Obiect prehensat (bacul)
Bacul este o piesă distinctă care se fixează pe elementul port-bac și vine în contact mecanic direct cu obiectul prehensat. De geometria acestuia depinde în mod direct calitatea prehensiunii, referindu-ne aici la asigurarea celor cinci faze ale prehensiunii.
Pentru o analiză optimă a bacurilor (necesare, existente sau propuse), acestea le considerăm descompuse în bacuri elementare :
– bac elementar punctiform (vârf), codificat cu Bv,
– bac elementar linie dreaptă, codificat cu Bd,
– bac elementar linie curbă, codificat cu Bc,
– bac elementar plan, codificat cu Bp ,
– bac elementar suprafață curbă oarecare, codificat cu Bs (tabelul 3.1.).
Tabelul 3.1.-Bacuri elementare
În continuare vom pune accentul pe subsistemele Bacuri și Obiect prehensat, păstrând astfel codificarea: B pentru bacuri și O pentru obiectul prehensat.
În tabelul 3.2. sunt prezentate variantele geometrice pentru bacurile elementare.
Tabelul 3.2.-Variante geometrice ale bacurilor elementare
În baza exemplelor de mai sus, bacurile pot fi împărțite astfel:
– bac elementar punctiform – un punct pe sferă sau vârf de triedru sau con,
– bac elementar linie dreaptă – generatoarea cilindrului sau triedrului/ conului,
– bac elementar linie curbă – înfășurătoarea unor puncte, cercuri sau linii,
– bac elementar plan – o serie de puncte/ vârfuri aflate pe suprafața plană,
– bac elementar suprafață – înfășurătoarea unor mici plane sau cilindri.
Principalele variante constructive, corespunzătoare variantelor geometrice de mai sus, sunt reprezentate în tabelul 3.3. În cazul bacului curbă plană și a celui tip suprafață, construcția poate fi de așa natură încât bacurile să fie cu formă fixă, reglabilă sau autoreglabilă în raport cu forma geometrică a obiectului prehensat. Exemple constructive sunt date în figura 3.6. Pe baza variantelor geometrice și constructive ale bacurilor elementare se obțin variantele similare ale „bacurilor compuse”.
Tabelul 3.3.-Variante constructive ale bacurilor elementare
Figura 3.6. – Exemple constructive de bacuri -prelucrare după [STA 96]
În tabelul 3.4. și tabelul 3.5. sunt date exemple semnificative de bacuri compuse din două, respectiv trei bacuri elementare și formele lor geometrico-constructive. În compartimentul a) sunt combinații de câte două bacuri elementare de același tip. În compartimentul b) sunt combinații de câte trei bacuri elementare: două de același tip și unul de alt tip – combinații ale câmpului a) cu câte un bac de alt tip.
Sigur, combinarea variantelor elementare este absolut flexibilă
Tabelul 3.4. – Bacuri compuse – prelucrare după [STA 96]
Tabelul 3.5. – Bacuri compuse –– prelucrare după [STA 96]
3.3. Prezentări sistematizate ale obiectului prehensat
Varietatea formelor obiectelor care ar putea fi prehensate este foarte mare, vorbim practic de o infinitate de variante. Ținând cont, însă, de formele geometrice reprezentative, care se întâlnesc cu frecvență mai mare, se adoptă variantele din tabelul 3.6., care formează clasa modulului obiectului prehensat, notată cu O1-O16 . Dupa cum se vede, suprafețele obiectelor pot fi geometric regulate sau neregulate.
Tabelul 3.6. – Forme geometrice ale obiectelor prehensate
Tabelul 3.6.(continuare)
3.4. Caracterizarea contactului bacuri – obiect prehensat
Tratarea separată a acestui modul compus se justifică prin aceea că în cea mai mare măsură starea prehensiunii este determinată de caracteristicile forțelor de contact dintre bacuri și obiectul prehensat. Geometria și caracteristicile obiectului prehensat sunt cele care determină caracteristicile bacurilor și forțele ce intervin între cele două subsisteme.
Pentru simplificarea caracterizării contactului între obiect și bacuri (respectiv bacurile elementare) se consideră cinci suprafețe geometrice elementare ale obiectelor prehensate acoperite de bacuri: punctiforme (cu vârf); liniare (dreaptă); curbe; plane și respectiv suprafețe.
În punctele de contact se consideră un sistem de axe x,y,z , respectiv forțe de contact notate Px, Py, Pz și momentele Mx, My, Mz. Torsorul forțelor de contact „c12” dintre cele două elemente, bacul 1 și obiectul 2, va conține componente în funcție de caracteristicile prehensiunii. Caracteristicile statice sunt indicate în cazurile cu/fără frecare. (tab.3.7.) -prelucrare după [STA 96].
Tabelul 3.7.- Contactul bacuri-Obiect
Tabelul 3.7.(continuare)
Tabelul 3.7.(continuare)
Tabelul 3.7.(continuare)
Tabelul 3.7. cuprinde caracteristicile statice ale contactului (forțele liniar independente generate de contact) considerând bacul și piesa drept corpuri rigide în cazul neglijării frecării și în cazul considerării frecării.
În tabel s-a notat cu: 1 – bacul, V, D, C, P, S – bacurile elementare, 2 – piesa, O1, O2,…,., O6 – suprafețele elementare ale piesei (sferic, cilindric, curbă, plană, suprafață, neregulat), c12, cf12 – numărul forțelor liniar independente fără considerarea frecării, respectiv cu considerarea frecării. Corespondența tipului de contact cu numărul și tipul reacțiunilor este evidentă, nemainecesitând alte explicații.
3.5. Numărul minim de bacuri elementare necesare pentru prehensiune
Considerând cazurile când un bac elementar poate genera 1, 2, 3, 4, 5 sau 6 forțe independente de contact și ținând cont de condiția necesară și suficientă de prehensiune se pot evidenția situațiile de mai jos cand nu sunt generate forțele de contact necesare prehensiunii.
Dacă se consideră două bacuri elementare, din tabelul 3.8. rezultă că în 9 situații nu sunt generate șapte forțe de contact dintre care șase să fie independente și, ca urmare, este necesar un al treilea bac. Asemănător pentru cazurile a trei, patru, cinci, șase și șapte bacuri elementare care contactează obiectul, rezultă numărul minim de bacuri elementare necesare prehensării.
Tabelul 3.8. – prelucrare după [STA 96]
Pentru un obiect oarecare de prehensat există mai multe situații în care sunt satisfăcute condițiile necesare și suficiente de prehensiune.
Diferențele între aceste situații rezultă în raport cu numărul bacurilor elementare folosite, dispunerea bacurilor pe suprafața obiectului și gruparea bacurilor pe elementele portbacuri.
3.6. Concluzii
În capitol au fost prezentate abordări matematice ale prehensiunii, subliniind condițiile minime de prehensiune.
A fost dezvoltată analiza critică a zonei de contact dintre obiect și manipulator, din punct de vedere geometric și al forțelor rezultate. „Bacurile” au fost tratate ca fiind zonele de pe degetele prehensoarelor, care intră în contact cu obiectele prehensate.
S-a observat că nu întotdeauna, prin utilizarea unor bacuri elementare, sunt îndeplinite condițiile minime de prehensiune.
În baza considerării noțiunii de bacuri elementare, sunt identificate și prezentate variantele geometrice de bacuri punctiforme, liniare, linie curbă, plane și suprafețe curbe; respectiv tipuri de bacuri compuse din combinația celor elementare.
Aceste clasificări (prezentări), împreună cu cele ale modulului “obiect” de prehensat, sunt supuse unei analize statice privind forțele de contact cu și fără frecare. Astfel se determină totodată numărul minim de bacuri elementare necesare prehensiunii, respectiv sistemele minimale de legături și gruparea optimală pe bacuri.
S-au stabilit astfel bazele teoretice ale dezvoltării și optimizării prehensoarelor propuse în teza de doctorat.
Bacurile combinate (privite ca elemente de legatură între degete și obiecte prehensate), prezintă dezavantajul costurilor ridicate și al lipsei flexibilității în exploatare (cu același bac nu se pot prinde mai multe tipuri de suprafețe).
Aspectul referitor la bacurile combinate flexibile, capabile să asigure forțele de prehensiune rămâne un punct ce va fi tratat și soluționat în capitolele următoare ale tezei.
STUDIUL ECHILIBRULUI ȘI MIȘCĂRII LA PREHENSOARELE ANTROPOMORFE CU BARE ARTICULATE
Din analiza critică a realizărilor în domeniul prehensoarelor antropomorfe cu bare s-a desprins concluzia că acestea au soluții constructive nu numai destul de diversificate, dar și destul de complicate, fără a atinge însă performanțe înalte.
Drept urmare, în prezentul studiu ne propunem mai întâi conceperea unor noi soluții de prehensoare antropomorfe cu bare, cu modele constructive mai simple, dar sigure și flexibile în funcționare.
Prehensoarele astfel concepute sunt supuse unei investigații complete a comportamentului cinematico-funcțional, static, design conceptual, proiectare – execuție, testare experimentală pe stand propriu ș.a.
4.1. Variante constructive noi, propuse și proiectate
4.1.1. Prehensor cu 4 degete dispuse sub formă de clopot
Prehensorul a fost conceput/proiectat ca o structură modulară din 4 module identice [BOL 07a], fiecare modul este acționat independent. În figura 4.1.a. este prezentat prehensorul în poziție deschisă, iar în figura 4.1.b. este prezentat schematizat mecanismul de acționare. Dispunerea degetelor sub formă de clopot prezintă avantajul siguranței procesului de prehensiune și a posibilităților de a prehensa obiecte cu geometrii complexe. Prehensorul este conceput să prindă obiectul cu ultimele falange ale degetelor, în funcție de forma obiectului contactul putând fi și pe celelalte falange.
Mecanismul de acționare are n=8 elemente cinematice legate prin c=12 cuple, având mobilități. Cum K=4 conture independente, mobilitatea mecanismului este:
unde S=3 este spațialitatea cinematică a mecanismelor plane.
Structural sunt 3 diade și o monadă.
4.1.2. Prehensor cu 3 degete înfășurătoare
Prehensorul prezentat schematizat în figura 4.2. combină avantajul dispunerii degetelor sub formă de clopot cu o nouă schemă structurală [BOL 08a] de mecanism de acționare.
Elementul de noutate îl constituie schema structurală a mecanismului (figura 4.3.a.), graf-ul aferent acestei scheme din figura 4.2.b., din care rezultă două mobilități pentru fiecare deget, deși fiecare deget are un singur element de acționare.
Elementul A este de acționare, elementul R este unul de frânare. Prin acționarea elementului 1, degetul se închide în poziție întinsă până când contactează obiectul cu prima falangă (GH). În acest moment, prin senzorii de presiune din prima falangă, se comandă blocarea elementului 14. Prin continuarea deplasării elementului 1, se acționează și a doua și a treia falangă (elementul 8 și 12).
În momentul fixării primei falange, inclusiv a lanțului 4-13-14, transmisia 1-2-3-5-7-8 / 5-6-9-10-11-12 la celelalte două falange indică un mecanism de mobilitate 1, ,
cele k=5 conture fiind 0-1-2-3-4≡0, 4≡0-3-5-6-0, 0-6-9-10-0, 0-6-7-8-0≡GH, 0-10-11-12-8-0, fiecare conținând câte o diadă.
În cazul mișcării libere (fără contact cu obiectul), mobilitatea este 2, conture fiind k=6, (4.2.)
Precizăm originalitatea acestei scheme, propuse și testate de autor, ca și modelul de înfășurare al obiectului de către falangele prehensorului.
4.1.3. Prehensor antropomorf cu 5 degete acționat pneumatic
Prehensorul prezentat în figura 4.4. [BOL 07b] are la bază un mecanism antiparalelogram cu bare articulate, dimensiunile raportate la cele ale mâinii umane 1:1,5. Dispunerea antropomorfă a degetelor asigură posibilități bune de micromanipulare și se pot prehensa obiecte cu orice tip de geometrie. Acționarea este pneumatică, prehensorul având patru grade de mobilitate.
4.1.4. Prehensor antropomorf cu două degete
Prehensorul cu două degete [BOL 11], prezentat în figura 4.5. are la bază un mecanism antiparalelogram cu bare articulate, optimizarea constând în solicitarea barelor la tracțiune și nu la compresiune, fapt ce asigură dimensiuni reduse ale prehensorului și înlătură pericolul flambării barelor de acționare în procesul de prehensare (figura 4.6).
Prehensorul are două degete, identice, având fiecare proporția de 2:1 față de degetele mâinii umane. Ca și dispunere spațială, degetele, având două falange fiecare, sunt dispuse în același plan.
Acest prehensor va face obiectul analizelor și optimizărilor prezentate în capitolele următoare. Având un singur grad de mobilitate, prehensorul are posibilități reduse de micromanipulare, însă prin atașarea unor elemente și cuple sferice suplimentare pe falange (figura 4.7.) se compensează lipsa mobilităților din zona carpiană și metacarpiană, asigurând posibilități mărite de prehensiune (bacul se poate așeza pe orice tip de suprafață).
Specificăm că întreaga concepție a acestui prehensor este originală, rezultând o soluție constructivă simplă, dar eficientă, cuplele sferice suplimentare asigurând mobilitățile de care are nevoie prehensorul în funcție de geometria obiectului prehensat.
Construcția este compactă, structura simplă, acționarea și controlul sunt îmbunătățite.
4.2. Funcția de forță în mecanismele de acționare a falangelor
4.2.1. Forțe în mecanismul prehensorului “clopot”
Prehensorul din figura 4.1., cu patru degete dispuse sub formă de clopot, conceput de autorul lucrării, prinde obiectul cu ultima falangă a degetelor, astfel că, în funcție de mărimea obiectului, pot apărea trei poziții caracteristice ale momentului de contact (figura 4.8.):
falangele sunt divergente, o componentă Fsino a forței de strângere poate expulza obiectul (figura 4.8.a.);
falangele sunt paralele, greutatea obiectului este suportată de forțele de frecare (figura 4.8.b.);
falangele sunt convergente (figura 4.8.c.), atât forțele de frecare Fcoso, cât și o componentă a forței de strângere Fsino echilibrează greutatea G.
Cazul a) se elimină fiind o strângere instabilă, iar cazul c) fiind cel mai avantajos – nu se consideră ca recomandat pentru calcul; astfel se vor considera ultimele falange dispuse vertical, în momentul contactului, întreaga greutate a obiectului fiind susținută de forțele de frecare din zona de contact (cazul b), G=4F).
Grupele cinematice fiind lanțuri static determinate, se va proceda la determinarea reacțiunilor din cuple și elemente pe grupe, începând cu ultima grupă, plecând de la forța de contact.
În ultima grupă 7 – 8, cu forțele rezistente și elemente poziționate prin unghiurile și (din cinematică, cu falanga KV verticală), reacțiunile din cuplele K și F se vor identifica prin componentele după axele X, Y:
Din ecuațiile de echilibru rezultă reacțiunile căutate (figura 4.9.b.):
Monada 6 are reacțiunea cu necunoscutele (figura 4.9.c.) la unghiurile stabilite din cinematică.
Ecuațiile de echilibru dau reacțiunile căutate:
În diada 4 – 5, sunt două intrări, prin H și F, unghiurile și fiind stabilite la cinematică pentru
Reacțiunile din E și G rezultă din ecuațiile (figura 4.9.d.):
Prima diadă 2 – 3, are de asemenea două intrări, prin G și I, fiind de determinat și , din ecuațiile (figura 4.9.e.):
Forța motoare, de-a-lungul ghidajului 1 (figura 4.9, f) va fi dată de suma:
Obs. Toate componentele reacțiunilor au fost considerate după axele X și Y. Trecerea de la o grupă la următoarea s-a făcut cu inversarea sensului reacțiunilor determinate la grupa precedentă. Toate unghiurile poziționale s-au considerat cunoscute din cinematică, la poziția verticală a ultimei falange. Sensurile reacțiunilor figurate s-au considerat pozitive, semnul real rezultând din calcule numerice.
4.2.2 Forțe în mecanismul prehensorului “degete înfășurătoare”
Prehensorul din figura 4.2 – 4.3, cu trei degete înfășurătoare, conceput de autorul lucrării, prinde obiectul prin înfășurarea sa: când prima falangă 4’ atinge obiectul, lanțul se fixează, acționând în continuare actuatorul 1 până când falanga a doua 8’ atinge obiectul, respectiv falanga a treia 12’ îl strânge.
Obiectul strâns corespunde cazului din figura 4.8.c., forța de susținere având și o componentă din forța de contact, pe lângă forța de frecare (sunt 3 degete):
Reacțiunile de determinat din cuple se dispun prin componentele după axele X și Y în sens pozitiv. Unghiurile de poziție ale elementelor, pentru situația obiectului prehensat, sunt cunoscute din cinematica sistemului. Evident că toți parametrii geometrici reprezintă date de intrare cunoscute. Echilibrul sistemului pentru determinarea reacțiunilor se va face pe grupe, începând cu ultima grupă – acolo unde este indicată forța de strângere . Nu se vor considera alte forțe pe elemente, astfel că în final forța motoare este în funcție doar de forța de strângere bineînțeles pentru poziția considerată, adică fiind cursa pozițională a actuatorului. Toți parametrii poziționali (unghiurile de poziție de calcul) se vor nota cu exponentul zero”0” (figura 4.10).
Grupa 11 – 12, cu forțele și respectiv reacțiunile și (figura 4.10.b.), are sistemul de ecuații de echilibru:
Grupa 9 – 10, necunoscute și , cunoscut (figura 4.10.c.):
Grupa 7 – 8, cu necunoscutele și, cunoscut (figura 4.10.d.):
În articulația M se adună reacțiunile de la elementele 8 și 10.
Grupa 5 – 6, cu necunoscutele și , cunoscute și (figura4.10.e.):
Grupa 2-2, cu necunoscutele și , cunoscut (fig 4.10.f.):
Forța motoare , cu actuatorul 1 de-a lungul axei x, va fi dată de reactiunea .
4.3. Funcționalitatea cinematică a mecanismelor de prehensiune
4.3.1. Mecanism de prehensare cu antiparalelograme
Sistemul mecanic de prehesnare pentru un deget dispune de 3 falange într-o structură arborescentă, conținând K = 4 conture cu C = 13 cuple toate de mobilitate f = 1, astfel că mobilitatea generală este M = trei conture fiind ale falangelor și unul al mecanismelor de acționare.
Conform figurii 4.11., ecuația de închidere pentru conturul vectorial culisor – balansier este (figura 4.12.):
din care trebuie obținută funcția de transmitere a pozițiilor φ30 = φ 30 (s1, l2, l32, e).
În scriere matriceală, scalarii vectorilor din ecuația (4.14.) au forma:
pe baza cărora se obține sistemul scalar:
Pentru obținerea funcției de transmitere a pozițiilor din sistemul (4.16.) se elimină φ2, apoi prin ridicarea la pătrat a ecuațiilor și adunarea lor rezultă expresia:
prin ordonare în funcție de φ3 are forma:
în care: ,
Rezolvând ecuația (4.18.) se obține funcția de transmitere a pozițiilor:
Semnul corect dintre ± se identifică printr-o reprezentare grafică sau verificare numerică în poziția inițială.
Calculul funcției de transmitere a vitezelor
Prin derivarea în raport cu timpul a expresiei (4.19.) se obține:
Rezultă funcția de transmitere a vitezelor ω3 = ω3 (s1, v1) sub forma:
Calculul funcției de transmitere a accelerațiilor
Prin derivarea în raport cu timpul a expresiei (4.21.) se obține:
Rezultă funcția de transmitere a accelerațiilor ε3 = ε3 (s1, v1, a1) în forma:
Conturele falangelor sunt antiparalelograme cu laturile mari (încrucișate) ambele mobile, unul fiind falanga, cealaltă biela.
Parametrii geometrici care definesc mecanismul (figura 4.13.) sunt:
lungimile în conturul primei falange DEFG,
lungimile în conturul falangei a doua ENML,
lungimile în conturul falangei a treia NPRS,
unghiurile ale brațelor falangelor 3’’, 4, 7’, 7, cu precizarea că într-un caz concret o parte din acești parametri sunt egali.
În poziția curentă de acționare, falangele sunt poziționate prin unghiurile cu precizarea că falanga a doua și a treia sunt poziționate față de cea anterioară.
În conturul I – DEFG, versorii de poziție în sistemul (xy) au expresiile (figura 4.14.):
unghiurile și fiind parametrii geometrici.
Ecuația de contur:
de forma:
se poate scrie:
unde:
având soluția:
rezultă:
Prima falangă face unghiul față de poziția inițială (alungită), iar falanga a doua face unghiul față de poziția inițială (alungită după axa x).
Conturul II – ENML are două variabile de intrare, unghiurile și (figura 4.15.).
Unghiul de ieșire va fi exprimat prin:
Față de poziția inițială (alungită), falanga a treia face unghiul
Ecuația de contur:
conține versorii:
Prin ridicare la pătrat:
ecuația de contur ia forma:
Coeficienții au expresiile:
respectiv soluția ecuației (4.32, 4.34, 4.35)
Dacă contactul dintre ultima falangă și obiect se face direct pe aceasta falangă, atunci poziționarea acestui punct de contact este dată de suma unghiurilor , raza polară fiind:
adică:
respectiv coordonatele punctului P în sistemul Dxy:
Dacă contactul se face în punctul T al ultimei falange (figura 4.16.), atunci intervin alți doi parametri geometrici, unghiul al brațului și lungimea
Raza polară până la punctul T în sistemul (Dxy) va fi:
adică:
de coordonate carteziene:
Dacă contactul cu obiectul se face pe un braț al levierului 8, atunci este necesară stabilirea funcțiilor de poziție și în conturul III – NPRS în vederea cunoașterii valorii cunoscute a unghiului .
Ecuația de contur (figura 4.16.):
conține parametrul geometric suplimentar: – unghiul de poziționare al brațului 8.
Prin similitudine cu conturul II, rezultă:
respectiv
Raza polară a punctului de contact V cu obiectul, cu , va fi:
la coordonatele lui P adăugându-se segmentul adică:
4.3.2. Mecanismul de prehensiune cu culisă intermediară
Acest prehensor este de concepție proprie (v. figura 4.1.), [BOL 07a].
Structura mecanismului are patru grupe cinematice conținând (figura 4.17.) n=8 elemente cinematice, c5=11 cuple de mobilitatea 1 și o cuplă c4=1 de mobilitatea 2.
Ca atare, mobilitatea
Analiza cinematică a mecanismului (modulul reprezentat de un deget) se face prin metoda matematică a închiderii contururilor vectoriale. Astfel, prin intermediul celor patru conture vectoriale închise, putem determina cinematica elementelor modulului analizat. Primul contur este de fapt A’BCDA’, conținând parametrii geometrici l22, l31 și l01 (excentricitatea A’D).
Ca atare (figura 4.18.):
Variabila independentă de intrare, fiind cursa S1.
Versorii și sunt poziționați fix prin unghiul φ0 – parametru geometric.
În scriere matriceală, considerând sistemul xy având axa x în lungul falangelor aliniate, iar y după baza ED, versorii laturilor sunt:
Unghiul
Conturul DGFED al primei falange este definit geometric de lungimile l32, l5, l4, l02 și unghiul cotului α0 (figura 4.19.), ecuația de contur:
conținând versorii:
La valoarea curentă φ3 rezultată se obține unghiul curent φ5, φ5(φ3), respectiv .
Conturul GHIG cu culisă este definit geometric de lungimile l61 și l33 (figura 4.20.).
În ecuația de contur:
apar necunoscutele l53 și φ61, unde versorul exprimat în sistemul XY, va fi .
Din ecuația:
Se revine asupra ecuației (4.55.) determinându-se :
Unghiul de ieșire va rezulta din diferența:
Ultimul contur definit geometric de lungimile l62, l81, l7, l33, l5 și unghiul 0 (figura 4.21.).
Ecuația de contur:
conține versorii necunoscuți și intrările fiind prin unghiurile φ5, φ32 și φ62 = φ61+ β0 – π.
Prin rezolvare rezultă φ81, φ81(φ5, φ32, φ62) → φ81(S1), după care:
Considerând contactul pe vârful ultimei falange în punctul V, raza polară în sistemul DXY:
având coordonatele carteziene:
4.3.3. Mecanism de prehensiune cu șase degete independente
În cadrul acestei variante constructive fiecare deget are trei falange și două elemente motoare. Cele două elemente motoare, care acționează pe fiecare deget, asigură mărirea performanțelor prehensorului prin dublarea gradelor de mobilitate pentru fiecare deget.
Schema structurală a unui deget se găsește în figura 4.22.
Mecanismul este un mecanism policontur al cărui graf este reprezentat în figura 4.23. Mecanismul policontur este format din patru conture închise și are trei legături exterioare (L = 3). Celor trei legături exterioare le corespund: puterile de intrare Pm1 = Fm1V1 si Pm5 = Fm5V5 respectiv, puterea de ieșire P = M8φ 8, în care Fmi este forța motoare, Vi este viteza pistonului , M8 este momentul generat de forța de prehensiune, iar φ8 este viteza unghiulară a elementului 8 (ultima falangă).
Mobilitatea M,
Interpretarea cinematică și statică a parametrilor M și L ne precizează funcțiile ce caracterizează acest mecanism.
două mișcări independente: V1sau S1; V5 sau S5;
M=2
Două forțe dependente, exprimate de funcția de transmitere a forței Fmi = Fmi(M8),
o mișcare dependentă exprimată de funcția de transmitere a mișcării ω8 = ω8(V1 si V5) sau funcția de transmitere a pozițiilor φ8 = φ8 (s1 s5 ),
L-M=1 o forță independentă reprezentată de momentul M8 generat de forța de prehensiune.
Mecanismul conține patru diade, formate din elementele 4-10, 2-3, 6-7, 8-9. Funcția necesită o corelare a celor două elemente motoare.
Funcționalitatea cinematică a unui prehensor cu două elemente motoare se va preciza pe mecanismul din figura 4.3. (de concepție proprie).
4.3.4. Mecanismul de prehensare cu trei degete înfășuratoare
Mecanismul prezentat (figura4.24.) funcționează secvențial [BOL 08a] [ALE 00]:
mișcarea liberă, până la atingerea obiectului, se constituie dintr-o rotație a falangelor în jurul articulației G ca un tot unitar, falangele rămân aliniate, dar rotite cu un unghi , conform unor deplasări concomitente în cele două ghidaje A si R;
la atingerea obiectului, prima falangă se fixează, ca și întreg lanțul cinematic 4 – 13 – 14, în această poziție ghidajul DD’ având o orientare conform geometriei și poziției brațului 4 (GDO), (figura 4.24.a.);
cu prima falangă GM fixă se continuă acționarea, de la 1, prin lanțul cinematic 1-2-3-5-7-8 acționându-se falanga a doua MN, iar prin lanțul cinematic 1-2-3-5-6-9-10-11-12 acționându-se falanga a treia NV.
În conturul de blocare „0” – PRGOP (figura 4.24.b.), de ecuație:
s-a considerat ghidajul PR paralel cu ghidajul ABX al culisei de acționare 1.
Parametrii geometrici ai conturului sunt (4,4’-90), pentru trecerea la conturul următor fiind necesară și poziționarea ghidajului DD’, adică parametrii geometrici si .
Versorul brațului 4 este dat de:
astfel că ecuația (4.63.) ia forma:
Din (4.65.) se obține cursa S14 la un unghi de blocare, sau unghiul la cursa de blocare .
De exemplu:
Punctul D’ de pe brațul GO va avea coordonatele:
unghiul fiind cel obținut la blocarea primei falange, GD’ – parametrul geometric.
Poziționarea geometrică și cinematică a conturului de blocare „0” este o problemă destul de dificilă.
Pentru conturul de acționare I (figura 4.24.c.), în care culisorul 3 este poziționat prin punctul D’ și unghiul ,
lungimea D’C0 până la intersecția cu axa actuatorului 1 fiind:
b – parametru geometric.
Ca atare coordonatele punctului C0 în sistemul oxy vor fi:
Pentru determinarea pozițiilor în conturul I este necesar ca la unghiul stabilit să se cunoască poziția actuatorului 1, adică punctul B0 de început de cursă în acționarea falangelor a doua și a treia, adică o distanță , care se constituie în parametru geometric. Astfel lungimea va fi:
În acest fel conturul B0BCC0B0 are ecuația:
Prin ridicare la pătrat:
se obține S3 din ecuația de gradul doi:
A se reține influența parametrilor geometrici suplimentari cota a (respectiv poziția B0) prezentând dificultăți de evaluare.
Conturul II – GFEC0G se închide prin punctul C0 ale cărui coordonate s-au stabilit în conturul I, care la rândul său a fost poziționat prin cursele S1 și S14 la un unghi de blocare a conturului „0”, adică de contact a primei falange cu obiectul prehensat.
Ecuația de contur (figura 4.24.d.):
unde se pune sub forma:
Versorii laturilor au expresiile:
Ca atare ecuația (4.76.) cu (4.78.), ridicată la pătrat, devine:
care se poate pune sub forma:
unde:
Unghiul va poziționa, prin conturul III, brațul 8 – falanga a doua 8’ – NM. Conturul GFIM este un patrulater clasic, de ecuație (figura 4.24.e.):
unde
Obs. În toate conturele nu s-au precizat expresiile versorilor bielelor, deoarece acești versori au fost ulterior eliminați din ecuație. Ca atare:
Conturul IV este unul paralelogram, deci (figura 4.24.f.):
– parametru geometric,
În conturul V – MKLN se acționează prin două intrări, brațele 10’ și 8’, de unghiuri poziționale (figura 4.24.e, f.):
si fiind parametrii geometrici,
Ecuația de contur (figura 4.24.g.):
conține versorii:
Coordonatele unui punct V de contact cu obiectul prehensat, în sistemul GXY, vor fi date de relațiile:
4.3.5. Mecanismul de prehensiune cu două degete
Un alt prehensor propus/conceput de autor [BOL 11] este prehensorul cu două degete identice, cu câte două falange dispuse în aceleași plan (vezi figura 4.6.).
Mecanismul de acționare este astfel dispus încât barele sale să fie supuse la forțe de întindere, nu la compresiune, fapt ce înlătură pericolul de flambare în procesul de prehensare, putându-se prevede astfel dimensiuni reduse.
Acest prehensor este modelat/realizat/proiectat/simulat până la faza de produs, fiind echipat cu sistem de acționare, de comandă și control, dimensiunile considerate fiind (figura 4.25.):
Cursa de lucru h = 8 mm, începând de la poziția S0 = 12 mm. Mobilitatea suplimentară a bacurilor este dată de niște capsule sferice originale dispuse pe falange prin care se aduc acestora mobilitățile din zona carpiană/metacarpiană a mâinii umane.
Mecanismul conține trei conture tip diade (figura 4.27.). În conturul I – ABCDA, ecuația de contur:
conține versorul:
astfel că ridicată la pătrat,
are forma:
unde:
Soluția ecuației (4.96.),
Se calculează pentru S1=0…h, în funcție de dimensiunile piesei prehensate.
În conturul II – DEFGD, de ecuație:
cu
Astfel ecuația:
pusă sub forma:
are coeficienții:
cu soluția:
Conturul III – GJIHG, de ecuație:
conține versorii:
Astfel:
cu:
de unde:
și
În determinările precedente, rezolvarea ecuațiilor de contur s-a făcut eliminând versorul (deci unghiul necunoscut) bielelor intermediare.
Pentru forțe, aceste unghiuri este necesar a fi cunoscute, bielele fiind neîncărcate, ca atare forțele vor fi în lungul acestora.
Conform poziționărilor față de axa X, versorii
Prin identificare în ecuațiile de contur (4.93.) și (4.101.) prin proiecția după axa X, se obțin, respectiv:
ca atare:
Reacțiunile din sistem se vor determina plecând, de data aceasta, de la forța motor din actuator, ca atare lanțurile cinematice de tip diadă se vor reconfigura, în prima grupă diadică intrând elementul 1. Astfel diadele static determinate pentru calculul reacțiunilor vor fi formate din elementele 1-2, 3-4, 5-7, elementul 6 rămânând singur (figura 4.27) ca element final.
În grupa ABC, cu dat, rezultă prin proiecția pe X (figura 4.27, a):
În grupa DEF, cu determinat, din , rezultă (figura 4.27,b), pentru brațele DC’ și DE’ ale forțelor:
În grupa GJI apare dificultatea forței rezistente necunoscută, astfel că la cele 2×3 necunoscute ca reacțiuni în articulațiile G, J și I apare a șaptea necunoscută pentru 2×3 ecuații de echilibru ale elementelor 2 și 3. Cum însă are direcție cunoscută, de-a lungul barei G, necunoscutele se reduc la G, deci sistem 5-7 static determinat.
Din sumă de momente în J pentru elementul 7 rezultă corelația (figura 4.27.c.):
Ca atare:
sistem care conține necunoscutele , și :
Relații mai simple ar rezulta dacă s-ar opera cu grupele cinematice de la forța rezistentă, adică în ordine pe grupele de elemente 6-7, 4-5, 2-3, 1.
Ca exemplu de calcul cinematic, cu parametrii geometrici precizați, se obțin rezultatele din tabelul 4.1, pentru cursa S1=h=8mm.
Tabelul 4.1-Exemplu calcul cinematic
Se constată că poziționarea inițială S0 este foarte importantă. Valoarea convenabilă fiind S0 = 12 mm, bacurile la cursa maximă h = 8 devenind verticale.
4.4. Concluzii
În capitol sunt prezentate o serie de soluții – variante noi constructive, propuse și proiectate de autorul tezei, precum prehensorul cu patru degete sub formă de clopot, prehensorul cu trei degete înfășurătoare, prehensorul cu patru degete acționate pneumatic, prehensorul cu două degete și o soluție constructivă cu șase degete, utilizată ca și sursă de inspirație.
Pentru gama largă de mecanisme de acționare a falangelor sunt deduse relațiile de calcul a pozițiilor și forțelor, pe baza metodei conturelor vectoriale închise.
Fiecare schemă de prehensiune este prezentată în poziție liberă și curentă, poziția de prindere a obiectului depinzând de mărimea acestuia.
Mecanismele propuse au construcție simplă, mecanismul de transmitere a mișcării fiind cu bare articulate, iar acționarea este pneumatică și electrică.
Avantajele acestor mecanisme sunt următoarele:
– Mecanismul tip clopot asigură performanțe ridicate în sensul prinderii de putere;
– Mecanismul cu trei degete înfășurătoare prezintă avantajul posibilității de reglare a contactului degete – obiect prehensat. Fiecare deget contacteaza obiectul cu minim două falange; lucru posibil prin creșterea mobilității pe deget M = 2, folosind totodată un singur element motor și un sistem de blocare auxiliar.
– Mecanismul cu 5 degete acționat pneumatic, are un raport al componentelor de 1,5:1 față de mâna umană, fiecare deget fiind acționat independent, geometria și dispunerea degetelor fiind identică cu mâna umană. Acesta prezintă și posibilități de micromanipulare dar și de prindere de putere.
– Mecanismul cu două degete este unul foarte simplu bazat pe o schema structurală nouă, dar prin folosirea unor bacuri speciale (concepție proprie), dovedește posibilități multiple de prindere a suprafețelor complexe.
Sistemele de prehensiune prezentate și schemele structurale noi, concepții ale autorului tezei, îmbogațesc literatura de specialitate în domeniul prehensiunii și stau la baza dezvoltării mecanismului de prehensiune optim în capitolele viitoare.
Mecanismului optimizat i se vor valida experimental caracteristicile teoretice din acest capitol. S-a subliniat astfel posibilitatea conceperii unor variante constructive simple și cu posibilități de prindere crescute.
DEZVOLTĂRI PRIVIND PARTICULARITĂȚILE CONSTRUCTIVE ALE ELEMENTELOR DE CONTACT CU OBIECTUL PREHENSAT.
În baza considerentelor teoretice prezentate în cadrul capitolului trei, privitoare la contactul mecanic, echilibrul corpurilor solide și condițiile minime de prehensiune, se impune acordarea unei atenții deosebite zonei de contact între obiect și prehensor. Această zonă este direct influențată de particularitățile constructive ale prehensorului, caracteristicile și tipul elementului motor folosit și geometria obiectului de prehensat, un rol aparte avându-l și sistemul senzorial, de comandă și de control.
Ca și sursă de inspirație, mâna umană reprezintă punctul de plecare, elementele mecanice ale prehensoarelor antropomorfe apropiindu-se din punct de vedere geometric și funcțional de aceasta.
5.1. Arhitectura mâinii omului
Capacitatea mâinii de a varia arhitectura degetelor este fundamentală pentru a prinde obiecte. De fapt, în timpul fazelor de prindere, mâna adaptează forma sa și a degetelor la obiectul prehensat. Un exemplu este prezentat în figura 5.1., [KAP74].
Pentru a apuca un obiect masiv, mâna se încovoaie și apar arcuri în trei direcții:
în direcție transversală (Figura5.1.c.): arcul carpic corespunde concavității create în direcție transversală pe osul mare din zona carpiană;
în direcție longitudinală (Figura5.1.d. și e.): arcurile carpiene și falango-metacarpiene presupun un aranjament în formă de boltă plecând de la osul mare carpian ;
în direcție oblică, arcele de opoziție la degetul mare cu celelalte patru degete.
Posibilitățile multiple de prehensare ale mâinii umane își au originea în complexitatea sistemului mecanic (oasele), de acționare (tendoane + mușchi) și senzorial.
În figura 5.2. sunt prezentate oasele mâinii umane [ABR 11].
Figura 5.1. – Adaptabilitatea mâinii umane [KAP 74]
Figura 5.2. – Oasele mâinii umane [ABR 11]
Analizând performanțele de prindere ale mâinii umane din perspectivă structurală, se observă:
În zona de articulare a oaselor metacarpiene cu oasele carpiene, fiecare prezintă o articulație dublă (flexie, extensie și rotire după o axă perpendiculară pe palmă). Acest aspect permite mâinii umane să realizeze prinderea tip clopot (falangele și palma să cuprindă obiectul – figura 5.1.c. și e.;
În zona de articulare falango – metacarpiană, întâlnim articulații simple tip balama, falangele putând executa doar mișcarea de flexie-extensie. Amplitudinea flexiunii prezentată în figura 5.3., la nivelul articulațiilor interfalangiene distale este puțin mai mică decât 90° și crește de la degetul arătător către degetul mic până când ajunge la un unghi egal cu 135°;
Figura 5.3. – Amplitudinea flexiunii [KAP 74]
Amplitudinea flexiunii la nivelul articulațiilor interfalangiene proximale este mai mare de 90° și crește de la degetul arătător către degetul mic – figura 5.4.a.;
Conform figurii 5.4.b., amplitudinea de extindere activă în articulațiile interfalangiene distale (D) și proximale (P) este zero sau foarte scăzută, de aproximativ 5°.
Figura 5.4. – Articulațiile interfalangiene [KAP 74]
În condițiile în care, deplasările în cuplele mâinii umane nu sunt mari, aceasta prezintă avantajul unui police extrem de mobil (chiar dacă are doar două falange). Această performanță are la bază cupla sferică dintre osul metacarpian și osul carpian trapez. În figura 5.5. este prezentată o secțiune prin mână în zona metacarpiană, unde se poate observa cupla carpo-metacarpiană a policelui.
Figura 5.5. – Secțiune prin mâna umană [ABR 11]
5.2. Taxonomia prehensiunii antropomorfe: scurt istoric și clasificare
În 1919 Schlesinger a făcut o primă clasificare a sistemelor de prehensiune, ulterior centralizată de Taylor și Schwartz [1955] în funcție de tipul de prindere: la nivelul vârfurilor degetelor, de tip cârlig, palmară, sferică, laterală.
În timpul unui proces de prehensiune, mâna are mai multe poziții față de obiect. În 1965 Napier propune ca exemplu desfacerea capacului unui borcan; astfel în prima fază, mâna execută o prindere puternică cu palma apăsată pe capac pentru a obține un moment de torsiune mai bun. Momentul de torsiune pierde din importanță în fața dexterității pe masură ce capacul începe să se desfacă și astfel mâna adoptă o postură de prindere la nivelul degetelor. În baza acestui exemplu, Napier a divizat prehensiunea în prinderi de putere și de precizie. În primul caz se disting un număr mare de contacte între obiect și degete și posibilitatea redusă sau inexistentă de a imprima mișcare vârfurilor degetelor. În cazul prehensării de precizie se pune accentul pe dexteritate și sensibilitate, obiectul fiind manipulat cu vârful degetelor .
Cutkosky și Wright [CUT 86] au realizat în anul 1986 clasificarea prehensiunii de tip arborescent. Clasificarea s-a facut în două mari categorii: pe de-o parte securitate și stabilitate (putere), iar pe de altă parte dexteritate și sensibilitate (precizie). Următorul criteriu de clasificare este reprezentat de forma obiectului ce urmează a fi prehensat. Astfel, Cutkosky și Wright împart obiectele ca fiind prehensibile și neprehensibile (din punct de vedere al prehensiunii antropomorfe), cele prehensibile fiind la rândul lor clasificate în prismatice și circulare. O dată stabilită forma obiectului, se trece la ultimul nivel de clasificare care este reprezentat de numărul de degete necesare pentru a prehensa respectivul obiect.
Taxonomia prezentată este de tip arborescent, având ca noduri cei trei termeni de clasificare enunțați anterior: funcționalitate de bază, forma obiectului și numărul de degete necesare. Pe măsură ce se parcurg factorii de clasificare, crește și nivelul de detaliere / specializare.
Față de clasificarea prezentată, am idendificat două noi posibilități de prindere cu două degete a obiectelor circulare: prindere de putere prin intermediul policelui și al degetului mare și o prindere de precizie între degetul arătător și mijlociu (analog prinderii țigării) [HAS 03]; [HAS 03a]; [NAP 56].
Figura 5.6. – Taxonomia prehensiunii – optimizată de autor după clasificarea Cutkosky și Wright
Analizând posibilitățile de prindere a obiectelor de către mâna umană, se desprinde concluzia că poziționarea degetelor în raport cu obiectul joacă rolul decisiv pentru o prehensiune sigură.
Luând în calcul posibilitatea realizării unui prehensor mecanic simplu (cu minim două degete), dar care să poată să prehenseze sigur suprafețe complexe, se impune o optimizare a contactului prehensor-obiect.
5.3. Aspecte privind optimizarea subsistemului – bacuri
Așa cum am prezentat în capitolul 3, analiza asupra relațiilor bac elementar – obiect elementar, arată că există situații în care prehensiunea nu se poate realiza complet deoarece nu sunt generate șapte forțe de contact. Astfel, din faza de proiectare a structurii mecanice, se utilizează mixuri de bacuri elementare în funcție de mixurile obiectelor elementare.
Obiectul de prehensat are de regulă geometrii multiple, iar problema prehensiunii se accentuează în momentul în care poziționarea acestuia față de prehensor este necunoscută.
În liniile automate de fabricație sau montaj, problema poziționării obiectului se rezolvă prin utilizarea unor dispozitive speciale, cum sunt cele de paletizare (figura 5.7.).
Figura 5.7. – Dispozitiv paletizare Sticle
După ce problema poziționării obiectului în raport cu prehensorul este rezolvată, apare problema contactului optim între obiectul prehensat și prehensor (bacuri), prin contact optim întelegându-se asigurarea celor șapte forțe. Și această problemă este relativ simplu de rezolvat în condițiile setării unei linii (fabricație sau montaj) pentru cicluri repetitive.
Astfel funcție de geometria piesei se aleg bacuri specializate, iar condițiile matematice ale prehensiunii sunt practic asigurate [ABU 01].
În situația în care sistemul de prehensiune este utilizat pentru a prinde un singur tip de geometrie cu mai multe cicluri, problema este rezolvată din punct de vedere al flexibilității prin interschimbabilitatea bacurilor. Pe același prehensor, în funcție de geometria piesei se pot monta bacuri cu geometrii diferite. Pentru acest lucru este necesară existența unei magazii de bacuri.
Dezavantajul acestei metode (interschimbabilitatea bacurilor), este unul de natură economică, în orice moment existând active nefolosite (bacuri), doar un anumit tip folosindu-se la un moment dat. Vorbim practic de investiții a caror amortizare se regăsește în costurile de proces, fără să aducă niciun profit.
Provocarea designer-ilor constă în realizarea unui prehensor simplu care să aibă flexibilitate mare. Principala sursă de inspirație în proiectarea prehensiunii antropomorfe pentru roboți o constituie mâna umană.
În natură, la cleștele de creveți, la mâna de maimuță, se găsește capacitatea de prehensiune, dar la om se ajunge la acest nivel de funcționalitate superior datorită posibilităților de micromanipulare. Acest lucru se datorează posibilității degetului mare de a se opune tuturor celorlalte degete. La maimuțe, de exemplu, degetul mare este opozabil, dar amplitudinea aceastei opoziții nu o atinge pe cea a policelui uman.
5.3.1. Contribuții și aspecte privind optimizarea contactului bac – obiect
Analizând prehensiunea din perspectiva condițiilor minime de prehensiune – șapte forțe de contact, cât și din perspectiva complexității structurale a mâinii umane, se naște întrebarea dacă o structură mecanică de prehensiune simplă poate să asigure totodată prehensiunea sigură – indiferent de geometria obiectului prehensat. Așa cum se poate observa în figura 5.8., prehensiunea antropomorfă se poate realiza utilizând doar două degete, atâta timp cât condițiile minime de prehensiune sunt îndeplinite [HIG 05]; [FIG 04]; [FIG 96].
Figura 5.8. – Prehensiunea cu două degete
Figura 5.9. prezintă prehensiunea optimă ce are loc când obiectul este cuprins între degete și palmă. Pentru structurile robotizate antropomorfe, în condițiile în care mecanismul metacarpian și carpian lipsește, dispunerea optimă a degetelor se recomandă să fie sub formă de clopot.
Figura 5.9. – Prindere sub formă de clopot
Considerând un număr redus de degete (minim două pentru a putea asigura atât prinderea de putere cât și de precizie conform figurii 5.6.), se impune ca zonele ce intră în contact cu obiectul să poată genera numărul forțelor necesare prehensării.
5.3.2. Analiza zonei de contact cu obiectul prehensat
În cadrul realizării prehensiunii unui obiect rigid, cu două bacuri punctiforme nedeformabile, conform tabelului 3.7. (din capitolul 3) , cele șapte forțe necesare prehensiunii nu pot fi generate (figura 5.10).
Figura 5.10. – Prehensiunea cu două bacuri
Bacurile complexe (realizate din bacuri elementare) și poziționarea acestora față de obiect, constituie soluția capabilă să asigure flexibilitatea unei structuri antropomorfe de prehensiune pentru roboți (figura 5.11).
Figura 5.11. – Prehensiunea cu bacuri elementare combinate
În realitate, contactul cu obiectul nu este punctiform, atât obiectul de prehensat cât și bacul fiind elemente elastice; elasticitatea fiind diferită de la un tip la altul de material. Prin urmare, așa cum se observă în figura 5.12., indiferent de numărul de bacuri elementare utilizate, acestea întră în contact cu obiectele prin „suprafețe de contact”. În plus, frecarea dintre acestea nu poate fi neglijată.
Astfel prehensiunea mecanică, asemănătoare prehensiunii antrompomorfe cu două degete (două suprafețe de contact), întrunește condițiile minime de prehensiune prezentate în cadrul capitolului 3. În figura 5.12. este evidențiată prinderea cu două degete, generând două suprafețe de contact.
Figura 5.12. – Suprafețe de contact în timpul prehensiunii
Propunând un prehensor cu două degete, vom crește posibilitățile de prindere atașând degetelor unele elemente și cuple (capsule) sferice suplimentare, (figura 5.13.). Capsulele sferice asigură poziționarea suprafeței bacului perpendicular pe obiectul prehensat, iar prin deformarea suprafeței bacului (în timpul strângerii), se generează o suprafață de contact.
Figura 5.13. – Mod funcționare cuple sferice atașate
În figura 5.14. sunt date câteva exemple de simulări de prehensare a mai multor obiecte folosind bacul descris anterior.
Figura 5.14. – Prehensiunea antropomorfă [BOL 11]
Figura 5.15. – Contact bac – obiect – detaliu bacuri
Bacurile prezentate în figura 5.15. se așează în timpul procesului de strângere pe suprafața obiectelor, fiind totodată și suport pentru senzori. Senzorii sunt montați între placă – bază – bac și placă – bac. Avantajul îl constituie posibilitatea de a prehensa obiecte cu geometrii complexe, iar măsurarea forțelor de prehensiune se face mereu pe direcție perpendiculară pe suprafața de contact.
5.4. Concluzii
În capitolul cinci, sunt prezentate tipurile de clasificări ale prehensiunii, cu legăturile dintre ele, privind forma obiectului, funcționalitatea (putere – precizie), numărul de degete.
Pornind de la cea mai cuprinzătoare clasificare a prehensiunii realizată de Cutkosky și Wright în 1986, au fost identificate două noi moduri de prindere (una de putere și una de precizie), care completează clasificarea existentă, subliniind posibilitățile de prehensiune cu două degete.
În cadrul analizei privind optimizarea “subsistemului bacuri”, în concordanță cu arhitectura mâinii umane, se propune montarea pe falange a unor capsule sferice suplimentare. Prin utilizarea acestor cuple, bacurile se pot așeza pe orice suprafață a obiectului de manipulat crescând flexibilitatea structurii de prehensiune.
În acest capitol s-au identificat următoarele aspecte privind prehensiunea antropomorfă și posibilitățile de optimizare a prehensoarelor mecanice cu aplicabilitate practică:
– Prehensiunea de putere și de precizie se poate realiza și doar cu două degete;
– Contactul real între bac și obiectul prehensat nu este unul punctiform, ci o suprafață care depinde de cedările elastice ale celor două solide implicate (bac – obiect);
– Performanțele de prindere și micromanipulare ale mâinii umane sunt date de existența cuplelor carpo – metacarpiene (datorită acestora se pot realiza prinderile sub formă de clopot, aducția într-un punct a tuturor celor cinci degete, contactul între primele falange ale oricaror două degete, etc.);
– În cazul lipsei cuplelor carpo – metacarpiene, pentru creșterea posibilităților de prindere, se impune montarea unor cuple suplimentare în zona degetelor, astfel încât să se asigure suprafețele de contact necesare strângerii și menținerii sigure a obiectului în prehensor;
– S-a propus o variantă inovativă de bac atașat falangelor (utilizând o capsulă sferică), ce permite contactarea suprafețelor complexe, iar în interiorul acestui bac se pot monta senzori de presiune pentru controlul în forță al strângerii;
– Funcționalitatea și performanțele bac-ului atașat degetelor prin cuplă sferică au fost validate experimental.
Capitolul evidențiază faptul că o structură mecanică simplă, supusă unui proces de optimizare poate să asigure performanțele unei structuri complexe și costisitoare.
PROIECTAREA OPTIMALĂ – DESIGNUL CONCEPTUAL AL PREHENSORULUI ANTROPOMORF
Prezentul capitol vizează definirea procedurii complete de proiectare optimală a unui prehensor cu degete printr-o abordare nouă a fenomenului de proiectare, bazată atat pe metodele tradiționale “geometrice”, cât și pe cele moderne prin implicarea computerului și a soft-urilor specializate de proiectare.
Pornind de la condițiile minimale de prehensiune, amintite în capitolele anterioare definite de modelarea matematică prin torsori, continuând cu analiza obiectelor prehensate și a posibilităților de prehensare; capitolul va sublinia și câteva elemente de noutate în cadrul metodelor de proiectare a prehensoarelor bazate pe un mers logic de calcul și de analiză optimală.
6.1. Proiectarea optimală: Concept și etape
Proiectarea optimală poate fi definită ca fiind metoda de proiectare a unei structuri, capabilă să asigure maximum de performanță cu minimum de efort; prin performanță înțelegându-se performanțele în exploatare ale structurii proiectate; iar prin efort înțelegându-se eforturile de natură materială și intelectuală ce stau la baza finalizării și implementării proiectului .
Odată cu explozia tehnică la nivel mondial, costurile sistemelor computerizate de proiectare au scazut considerabil, problemele ridicate de aceste sisteme trecând în sfera Software (și ele, la randul lor, din ce în ce mai performante).
Din analizele efectuate de specialiști reiese faptul că sistemele informatice sunt cele mai perisabile sisteme din punct de vedere moral, datorită ritmului accelerat de dezvoltare în domeniu (performanțele – hard și soft – se dublează la fiecare 2 ani).
Proiectarea optimală ca și termenul “optimal” este o noțiune relativă, analizând faptul că activitatea de proiectare și, în general, de concepere a unui produs este permanent îmbunătățită. Pe scurt, ce astăzi este “optim” mâine este desuet și poate fi optimizat
Proiectarea asistată de calculator (CAD)
Definiția conceptului de proiectare asistată de calculator exprimă, în esență, utilizarea calculatorului în vederea elaborării proiectului produsului. Acest concept este, de regulă, asociat cu elemente de grafică computerizată interactivă, cunoscute sub numele de sisteme
CAD. Sistemele CAD reprezintă instrumente puternice, utilizate în proiectarea mecanică și modelarea geometrică a produselor și componentelor.
Procesul de proiectare realizat în cadrul sistemului CAD parcurge următoarele etape:
· definirea problemei (temei);
· modelarea geometrică;
· analiza inginerească;
· evaluarea rezultatelor;
· executarea desenelor și a documentației de fabricație.
Definirea problemei: constituie prima etapă a proiectării, care urmează procesului inițial de identificare a cerințelor clientului în legătură cu un produs, ceea ce determină, de fapt, inițierea procesului de proiectare a acelui produs. Acțiunea de identificare constă fie în descoperirea unor disfuncționalități în cadrul unui sistem, ceea ce conduce la necesitatea reproiectării acestuia, fie în observarea cererii pe piață a unui anumit produs nou.
În această etapă proiectantul trebuie să dea dovadă de multă creatvitate și originalitate în determinarea funcțiunilor, performanțelor și aspectului exterior al produsului nou promovat. În această etapă calculatorul nu joacă un rol important, acesta fiind doar un instrument și nu un element de creativitate. Dacă, însă, produsul a mai fost proiectat și se caută doar îmbunătățirea sa, calculatorul poate constitui un instrument util pentru sugerarea variantelor de proiect existente și căutarea componentelor standard și a proceselor de prelucrare. În concluzie, activitățile susținute la acest nivel pot fi realizate parțial manual și parțial automat.
Modelarea geometrică implică utilizarea calculatorul prin reprezentarea obiectului cu ajutorul unei descrieri matematice a geometriei sale. În general, din considerente de simplificare a calculelor, obiectul este simplificat și sunt reprezentate numai caracteristicile esențiale. Aceste modelări matematice permit vizualizarea imaginii obiectului cu ajutorul unui terminal grafic (display) și animația sa în scopul punerii în evidență a caracteristicilor funcționale. Programele de animație sunt deosebit de utile atât pentru detectarea eventualelor probleme, cât și pentru sugerarea unor soluții corective.
Analiza inginerească constituie procesul aplicat proiectului după stabilirea caracteristicilor geometrice ale acestuia. Cel mai adesea, analiza implică calcule pentru determinarea comportării dinamice a produsului proiectat, calcule realizate prin metoda elementului finit. Alte programe pot fi utilizate pentru simularea funcționării produsului și achiziționarea de informații referitoare la diverși parametri, cum ar fi: consumul de energie, transferul de căldură, uzură, interferență, etc. De asemenea, este posibilă realizarea de optimizări, în cazul în care pot fi stabilite funcțiile obiectiv, supuse unui set de condiții la limită.
Evaluarea rezultatelor proiectării reprezintă o etapă necesară pentru a ne asigura că sunt respectate toate condițiile pe care produsul proiectat trebuie să le îndeplinească. Unele din aceste condiții pot fi proceduri de funcționare standard, altele sunt legate de costuri, servicii, condiții legale, etc. În această fază se verifică acuratețea proiectării, se evaluează construcția tehnologică și se analizează comportarea cinematică în scopul determinării comportării spațiale a produsului proiectat.
Elaborarea automată a desenelor și documentației tehnice de execuție constă în realizarea tuturor desenelor de ansamblu, subansamblu și de execuție utilizate ulterior în procesul de fabricație.
Cu ajutorul sistemelor CAD, este posibilă dimensionarea automată a desenelor, alături de generarea suprafețelor hașurate, dezvoltarea vederilor în secțiune sau a scalărilor de orice tip. Vederile pot fi mărite iar obiectele pot fi rotite sau translatate în scopul obținerii vederilor oblice, izometrice sau în perspectivă, (avantaje pe care proiectanții până în anii 1990 nu le-au avut).
Activitatea de proiectare (indiferent de structura care face obiectul proiectării) este de regulă optimizată prin implementarea tehnologiilor noi de proiectare și fabricație, dar și prin abordări pragmatice ale activității firmei.
Referindu-ne la pragmatism, amintim cea mai cunoscută metodă de fabricație “just in time” care presupune și o proiectare de aceeași natură.
Proiectarea, așa cum aminteam anterior, a depășit de mult limitele modelării matematice și a trasajelor imprecise efectuate la planșeta de desenare.
Procesoarele rapide ale computerelor înlătură efectuarea unor calcule deosebit de laborioase, care au și o mare probabilitate de a se prezenta într-o formă greșită.
Un exemplu este prezentat în figurile 6.1. – 6.2. – 6.3. prin care se calculează extrem de rapid (1-2 secunde) volumul, suprafața, centrele de greutate și de inerție masică a unei piese foarte complicate. În acest exemplu este utilizat Soft-ul Solid Works [BOL 06c].
Un astfel de calcul, efectuat prin metode tradiționale, este deosebit de greu de efectuat datorită multitudinii structurilor de bază ce compun piesa analizată.
Figura 6.1. prezintă piesa analizată (analiza se poate efectua și asupra unor ansamble indiferent cât de complicate).
Figura 6.2. prezintă modulul de introducere a datelor. Aici pot fi introduse date referitoare la material (densitate, precizia de analiză, etc.).
Figura 6.3. prezintă rezultatele analizei cu precizia de analiză impusa anterior.
Sistemul de coordonate ales este cel definit în timpul proiectării. De regulă acesta stă la baza cotării desenului de execuție și implicit asigură în linii mari tehnologia de fabricație (prelucrare).
Figura 6.3. – Afișarea rezultatelor solicitate
6.2. Analiza metodelor de optimizare a proiectarii prehensoarelor antropomorfe
Procesul de proiectare a unei structuri noi (sau optimizate) are la bază tema de proiectare, soluții deja existente, know-how-ul proiectantului și resursele Soft + Hard existente.
În cazul acestui proiect vom porni de la tema de proiectare trasată prin titlul tezei: “Cercetări teoretice și experimentale ale prehensoarelor antropomorfe cu număr redus de degete pentru roboți ”.
Structura proiectată și ulterior executată trebuie să fie capabilă să asigure condițiile minime de prehensiune, să fie simplă, robustă și să poată prehensa obiecte cu geometrii diverse.
Optimizarea se poate defini ca o adăugare a unor elemente de noutate, unor structuri sau concepte deja existente, astfel încât acestea (structurile sau conceptele) să satisfacă un număr mai mare de nevoi.
Procesul de optimizare este un șir de subprocese decizionale.
6.2.1. Metode de optimizare
În proiectarea optimală, pentru luarea unor decizii sunt utilizate o serie de metode dintre care vom aminti:
-Metoda Greedy [www14];
-Metoda Backtracking;
-Metoda Divide et Impera;
-Metoda Analizei multicriteriale.
Metoda Greedy – își propune să introducă pe rând câte un element în soluția optimă.
Este o metodă generală de elaborare a algoritmilor ce se aplică problemelor în care se dă o mulțime A conținând n date de intrare, cerându-se să se determine o submulțime B a sa, care să îndeplinească anumite condiții pentru a fi acceptată. Cum în general există mai multe astfel de mulțimi, se dă și un criteriu conform căruia, dintre submulțimile acceptabile (numite soluții posibile), se alege una singură (numită soluție optimă) ca rezultat final.
Soluțiile posibile au următoarea proprietate: dacă submulțimea BA este o soluție posibilă și CB, atunci și C este o soluție posibilă. Vom presupune că mulțimea vidă este întotdeauna o soluție posibilă.
Metoda Greedy tratează acest tip de probleme în două moduri care urmează aceeași metodă și diferă doar prin ordinea de efectuare a unor operații:
Se pleacă de la soluția vidă. Se alege pe rând, într-un anumit fel, un element din A neales la pașii precedenți. Dacă adăugarea lui la soluția parțială anterior construită conduce la o soluție posibilă, construim noua soluție prin adăugarea elementului ales.
Metoda Greedy nu caută să determine toate soluțiile posibile și să aleagă pe cea optimă conform criteriului de optimizare dat, ci constă în a alege pe rând câte un element, urmând să-l introducă eventual în soluția optimă; de aici provine numele Greedy (lacom).
Metoda Backtracking [www15]
Metoda se aplică problemelor în care soluția se poate reprezenta sub forma unui vector, X=(x1,x2,…xm), care aparține lui S=S1xS2x…Sm.
– S = S1 x S2 x … Sm se numește spațiul soluțiilor posibile.
– Pentru fiecare problemă în parte se dau anumite condiții între componentele vectorului soluție care se numesc condiții interne.
– Soluțiile posibile care verifică condițiile interne se numesc soluții rezultat.
– Metoda Backtracking își propune să genereze toate soluțiile rezultat.
O metodă simplă de a genera soluțiile rezultat constă în a genera într-un mod oarecare toate soluțiile posibile și de a alege dintre acestea doar pe cele care verifică condițiile interne. Dezavantajul constă în faptul că timpul cerut este foarte mare.
Metoda Backtracking urmărește să evite generarea tuturor soluțiilor posibile. Pentru aceasta elementele vectorului x primesc pe rând valori în sensul că lui xk i se atribuie o valoare doar dacă componentele din fața sa x1, x2,…xk-1 au primit valori.
Dacă lui xk i s-a atribuit o valoare, nu se trece direct la atribuirea de valori lui xk+1, ci se verifică niște condiții de continuare, referitoare la x1, x2,…xk-1, xk. Dacă condițiile de continuare au fost satisfăcute, se trece la calculul lui xk+1. Neîndeplinirea lor exprimă faptul că oricum s-ar alege xk+1,…, xn, nu se va ajunge la o soluție rezultat. Evident, ca în cazul neîndeplinirii condițiilor de continuare va trebui să se facă o altă alegere pentru xk. Sau dacă Sk a fost epuizat, să se micșoreze k cu o unitate, încercând să se facă o nouă alegere pentru xk.
Metoda Divide et Impera [www16] – își propune să descompună/ combine soluțiile subprogramelor.
Divide et impera se bazează pe principiul descompunerii problemei în două sau mai multe subprobleme (mai ușoare), care se rezolvă, iar soluția pentru problema inițială se obține combinând soluțiile subproblemelor. De multe ori, subproblemele sunt de același tip și pentru fiecare din ele se poate aplica aceeași tactică a descompunerii în (alte) subprobleme, până când (în urma descompunerilor repetate) se ajunge la probleme care admit rezolvare imediată.
Nu toate problemele pot fi rezolvate prin utilizarea acestei tehnici. Se poate afirma că numărul celor rezolvabile prin "divide et impera" este relativ mic, tocmai datorită cerinței ca problema să admită o descompunere repetată.
Metoda analizei multicriteriale [KRE 02] – aleasa de autor.
Această metodă, comparativ cu primele trei prezentate, ține cont de mai multe criterii de selecție, rezultând în final o variantă optimă sau un hibrid de variante, astfel încât se poate defini clar tema de proiectat.
Pentru a putea defini o structură mecanică de prehensiune, vom analiza variante constructive existente conform tabelului de sistematizare 6.1.
Pentru optimizarea unei structuri de prehensiune, se stabilesc criterii de apreciere și cerințe definite pentru proiectare :
prehensor cu minim două și maxim patru degete,
structura mecanică simplă,
raportul dimensional între prehensor și mâna umană să fie 1:1, max.1,5:1,
posibilități de prehensiune suprafețe complexe,
se preferă o structură tip paralelogram, cu bare articulate și două falange/ deget (robust),
existența controlului în forță al prehensiunii (senzori).
6.2.2. Variante de prehensoare și caracteristicile acestora
Tabelul 6.1. – Variante constructive
Tabelul 6.1. (continuare)
Tabelul 6.1. (continuare)
Tabelul 6.1. (continuare)
Tabelul 6.1. (continuare)
6.2.3. Analiza morfologică- ponderea criteriilor
Analiza morfologică a variantelor constructive din tabelul 6.1. se face pe baza criteriilor a) –
f) de apreciere. [BEL 97]; [BIR 04].
Analiza se va face tabelar, acordând punctaj 1 dacă varianta respectă criteriul, respectiv punctaj 0 dacă varianta nu respectă criteriul. În ultima coloană este înscrisă suma criteriilor pe care le respectă fiecare variantă.
Tabelul 6.2.-Analiza variantelor funcție de criteriile selectate
Întrucât nici una dintre variantele constructive cunoscute nu îndeplinește toate criteriile (nu a obținut punctaj maxim), se impune realizarea unei analize multicriteriale a variantelor care au acumulat 4 puncte, căutând soluția hibrid între cele mai bune 2-3 variante clasate. Variantele care au obținut 4 puncte sunt: V1, V3, V5, V6, V7, V9, V10,
Ponderea criteriilor în cadrul analizei multicriteriale
Se va determina coeficientul de importanță a unui criteriu comparativ cu celelalte criterii luate în calcul, acordându-se punctajul 1 sau 0 pentru „mai important sau nu”
În tabelul 6.3. se compară criteriile așezate pe ordonată cu cele așezate pe abcisă.
În exemplu: se compară criteriul a cu a, fiind identic se va înscrie valoarea ½; se compară criteriul b = (structura mecanică simplă) cu criteriul a = (prehensor cu minim două și maxim patru degete). Criteriul b este mai important decat criteriul a, deci se va înscrie valoarea 1 pe coloană respectiv 0 pe linie, analog efectuându-se întreaga analiză.
În penultima coloană a tabelului 6.3. se înscrie suma punctajelor obținute de fiecare criteriu.
Coeficientul aferent fiecarui criteriu, ia în calcul, pe lângă punctajul obținut și numărul total de criterii, numărul de criterii surclasate, punctajele criteriilor de pe primul și ultimul loc (conform relației 6.1. formula FRISCO)
Tabelul 6.3.- Coeficientul
(6.1.)
unde:
P = punctajul obținut de criteriul respectiv,
P = punctaj calculat – punctaj element de pe ultimul loc (diferență de punctaj ΔP>0),
P’ = punctaj calculat – punctaj element de pe primul loc (diferență de punctaj ΔP<0),
n = număr criterii,
m = număr criterii surclasate.
Astfel rezultă valorile coeficientului de importanță:
Rezultatele coeficientului arată o prioritizare a criteriilor în ordinea: d – e – f – b – a – c.
Analizând tabelul 6.3., prehensorul optim de proiectat, trebuie în primul rând să fie capabil să prehenseze suprafețe complexe, apoi să fie robust, să fie dotat cu senzori astfel încât să existe control în procesul de prehensiune, structura mecanică să fie simplă și e mai puțin important numărul de degete sau raportul dimensional față de mâna umană.
Analiza multicriterială pentru alegerea variantelor constructive
După definirea coeficientului de importanăță al fiecarui criteriu, se trece la analiza variantelor „câștigătoare” din tabelul 6.2. Acestea sunt variantele care se apropie cel mai mult de prehensorul dorit și definit prin cele cinci criterii.
Nicio variantă dintre cele mai bine clasate nu a îndeplinit în totalitate criteriile, astfel se va căuta o soluție hibrid. Variantele prezentate (cele șapte variante) vor fi supuse analizei multicriteriale luându-se în calcul și coeficientul și coeficientul N.
Coeficientul N reprezintă nota obținută (pe scala de la 0 la 10) de un prehensor în raport cu un criteriu (nota este acordată de persoana sau echipa care face analiza putând fi subiectivă).
Pentru exemplu, varianta 6 (poziția 6 din tabelul 6.1.) a obținut nota 10 la criteriul
a = (prehensor cu minim două și maxim patru degete) și nota 0 la criteriul c = (raportul dimensional între prehensor și mâna umană să fie 1:1, max.1,5:1); prehensorul exemplificat are 3 degete și un raport de 2:1 față de mâna umană.
Se aplică apoi relația:
(6.2.)
Tabelul 6.4.-Clasamentul variantelor propuse vs. criterii de apreciere
În urma analizei multicriteriale, cele mai bune variante (din punct de vedere compatibilitate cu criteriile stabilite inițial) sunt:
V5 = 98,96 puncte, prehensorul cu trei degete dispuse in stea,
V6 = 98,71 puncte, prehensorul cu trei degete dispuse triunghiular isoscel
V1 = 81,79 puncte, prehensorul cu două degete opuse.
Soluția pentru proiectat se va baza pe un hibrid între cele 3 variante, ținând cont și de prioritizarea criteriilor definită anterior.
6.3. Conceperea/proiectarea unui prehensor antropomorf optim
6.3.1. Definirea prehensorului optim
Procesul demareaza cu o întâlnire a personalului responsabil cu proiectarea, tehnologia de fabricație, calitatea și planificarea producției, soldată cu conceperea unei schițe (de regulă de mână) a produsului ce se dorește a fi proiectat și executat.
În esență, la aceasta întâlnire preliminară, are loc o ședință de brainstorming, unde ideile generate sunt înregistrate și analizate funcție de criteriile și variantele amintite anterior, prehensorul optim luând în considerare posibilitățile de prehensare, robustețea sistemului, controlul prehensiunii, structura simplă (vezi rezultatele analizei coeficientului y).
Posibilități de prehensare a obiectelor cu suprafețe complexe
Gradul cel mai înalt de optimizare a unei structuri de prehensiune o întâlnim la mâna umană care, pe lângă avantajul degetelor, prezintă și avantajul existenței cuplelor în zona metacarpiană și carpiană. Mâna poate astfel să prehenseze orice tip de obiect (în anumite limite dimensionale), prinderile fiind sub formă de pensetă cu două degete, sub formă de clopot cu minim trei sau toate degetele, sau prinderi complexe derivate din cele două realizate prin intermediul policelui care poate intra în contact cu toate falangele celorlalte patru degete conform figurii 6.4.
Figura 6.4. – Posibilități de prindere
În cadrul prehensoarelor antropomorfe, dezavantajul lipsei multitudinii de cuple carpo – metacarpo – falangiene, este redus prin utilizarea bacurilor.
În capitolul 5 s-a propus o variantă de bac atașat fiecarei falange. Bacul prezentat în capitolul 5 se poate așeza pe orice tip de suprafața și, în consecință, va fi utilizat în cadrul prezentului proiect – Figura 6.5.
Figura 6.5. – Bac-cuplă sferică
Sistemul de prehensiune „robust”
Robustețea sistemelor de prehensiune se poate exprima ca și siguranță în exploatare, componentele prehensorului rezistă multor cicluri de folosire, sistemul de transmitere a mișcării este simplu și stabil în funcționare.
În cadrul sistemelor de prehensiune, mecanismul de transmitere a mișcării cu bare articulate este de departe cel mai robust, simplu și sigur în exploatare. Există și un sistem de transmitere cu roți și fire, care prezintă avantajul unei structuri suple dar și dezavantajul complexității și instabilității (firele se întind după un număr de cicluri sau la forțele de prehensiune) [DAV 98].
Barele pot fi supuse (în procesul de strângere) atat tracțiunii cât și compresiunii. Dezavantajul barelor supuse la compresiune îl constituie riscul de flambare, risc anulat printr-o secțiune mărită a barei sau modificarea geometriei secțiunii sau a lungimii acesteia:
lungimea barei depinde de locul disponibil în cadrul falangelor pentru amplasarea cuplelor și de deplasările totale dorite ale cuplelor intrafalangiene;
modificarea geometriei secțiunii presupune și modificări geometrice ale falangelor, adică se face funcție de spațiul existent în falange astfel încât elementele să nu intre în coliziune și să blocheze structura.
În cazul optimizării elementelor de transmitere a mișcării (barele articulate), se folosește o metodă simplă: metoda mediatoarei prin care se dorește să se determine locul optim de poziționare a cuplelor de la capetele barelor astfel încât la închiderea prehensorului falangele să înregistreze o mișcare relativă impusă. Pentru definirea metodei s-a utilizat un deget cu trei falange, însă pentru patru sau mai multe falange pe deget se urmează pașii descriși mai jos.
se stabilesc lungimile și dimensiunile falangelor,
se stabilesc pozițiile relative ale falangelor când prehensorul este în poziția închis – figura 6.6.,
se aleg convenabil pozițiile cuplelor E aparținând falangei 3 și F aparținând falangei 2,
realizarea trasajului funcție de unghiurile impuse (deplasările din cuple) și aflarea poziției cuplelor M și N (o bară va uni cuplele M + F și cealaltă cuplele N + E),
în poziția deschisă, se trasează din A un cerc de rază 91,5 (aleasă convenabil),
în poziția închisă, se trasează din A’ un cerc de rază = 91,5,
punctul de intersecție M, constituie axa cuplei de rotație în care vine fixat capatul barei de l=91,5 mm.
La fel se procedeaza și în cazul definirii barei ce leagă falanga 1 cu falanga 3, cu excepția că trasajul din B se va roti în O cu un unghi egal cu rotirea falagei 1 (20 grade).
Trasajul din B’ va intersecta trasajul rotit în punctul N. (Figurile. 6.7. și 6.8.).
Figura 6.6. – Stabilirea pozițiilor falangelor
Figura 6.7. – Determinarea punctului M (poziția cuplei de rotație)
Figura 6.8. – Determinarea punctului N
În exemplul prezentat, în timpul strângerii, barele sunt supuse la compresiune.
O structură robustă cu bare articulate se recomandă să se bazeze pe bare supuse la tracțiune în momentul strângerii, eliminând astfel riscul flambării barelor. O astfel de structură întâlnim în figura 6.9., unde se observă că în momentul strângerii, barele 2, 4, 6 sunt supuse unor forțe de tracțiune.
Figura 6.9. – Propunere de structură mecanică cu bare
6.3.2. Controlul prehensiunii
În practică există două tipuri de prehensoare din punct de vedere al controlului prehensiunii:
Prehensoarele „oarbe” care se închid și se deschid în funcție de limitările mecanice ale structurii. Acestea nu țin cont de forțele de prehensiune, nu au un sistem senzorial și prezintă riscul nerealizării prehensiunii sau, în caz extrem, distrugerii obiectului prehensat datorită forțelor prea mari aplicate acestuia. Astfel de structuri sunt specializate pe anumite tipuri de operații având o flexibilitate în exploatare foarte scazută.
Prehensoarele „controlate” (prin sistem senzorial) care realizează prinderea funcție de forțele de prehensiune setate. Doar în acest caz vorbim de un control al prehensiunii și de siguranță în exploatare.
Întrucât sistemul senzorial la prehensoarele mecanice nu se poate atașa pe toate suprafețele (analog mâinii umane), pentru controlul forțelor aplicate obiectului prehensat se recomandă utilizarea senzorilor chiar în zona de contact bac – obiect prehensat [STR 01].
Utilizând bacurile cu cuplă sferică prezentate anterior – capabile să asigure forțe perpendiculare pe suprafețe complexe, în interiorul acestora se vor monta senzori conectați la subsistemul de comandă și acționare.
Sistemul de control este format din senzori de presiune tip CZN-CP15 și un convertor de semnal tip IM36-22Ex-U (figura 6.10.).
Figura 6.10. – Sistemul de control
Ca și sistem de acționare, a fost ales un sistem electric, definit printr-un motor rotativ tip Maxon – 315671 [www 17], [MAX 01], acesta are atașat un reductor planetar și un encoder (tabel 6.5.).
Tabel 6.5- Caracteristicile sistemului de acționare
Pentru dimensionarea corectă a sistemului de acționare, mai întâi se obține funcția vitezei elementului 7 din ecuația echilibrului puterilor de intrare și ieșire:
În funcție de F7, V7 și V1, care se cunosc, urmează să se determine Fm necesar :
Transmiterea mișcării de la motor la sistemul de prehensiune se face printr-un sistem tip șurub piuliță (șurub cu bile), așa cum se vede în figura 6.11.
Figura 6.11. – Sistem șurub – piuliță cu bile
Figura 6.12. – Sistemul de comandă
Unitatea de comandă și control aleasă este compusă conform figurii 6.12. din:
Unitatea de comandă Prehensor – componenta bloc alimentare ce generează tensiunile necesare funcționării întregului modul: tensiuni de 24Vdc – alimentare LOGO! și Controler Motor DC – prezența acesteia este semnalizată de LED verde – 24Vdc-OK.
Tensiunea de referință – utilizată la reglajul sensibilității strângere senzori precum și la alimentarea senzorilor de presiune FSR 1 resp. FSR 2 (aceștia întorc în LOGO o valoare de tensiune proportională cu presiunea de strângere ) – prezența acesteia este semnalizată prin LED verde – ref OK. Releu programabil LOGO! SIEMENS – stabilește relații logice bazate pe un program ce rulează ciclic între INTRARI (IN) – componentele sistemului senzori, butoane, potențiometri SI IESIRI (OUT) – acțiuni ce se doresc a fi executate – semnalizări optice, acționare respectiv comandă MOTOR DC.
Controler Motor DC – asigură comanda și monitorizarea parametrilor de acționare ai motorului – ansamblu mecanic PREHENSOR. Acest controler permite acționarea bidirecțională a rotației motorului de antrenare, precum și monitorizarea curentului de sarcină, rezultând implicit protejarea motorului – aspect semnalizat prin LED – roșu – FAULT. Reglajul vitezei de acționare se realizează din potențiometrul Reglaj Viteza AVANS.
Senzori de presiune FSR – care oferă informația referitoare la forța de strângere a obiectelor – forța ce se poate preseta ca și nivel de referința din potențiometrul Reglaj Sensibilitate Senzori – pentru obiecte ușoare sau casante este necesar un nivel redus, iar pentru cele mai grele sau cu conformație geometrică complexă este necesar un nivel ridicat al sensibilității .
Butoane de comandă regimuri de lucru: – oprire urgență – execută oprirea "înghețarea" tuturor funcțiilor întregului sistem PREHENSOR.
Demo mode – execută mișcări de strângere – oprire – destrângere obiecte , la intervale stabilite de timp, apoi procesul de repetă până la dezactivarea comenzii – aut / man – selecție mod automat sau manual – în modul automat toate mișcările și reglajele sunt controlate de LOGO!, în acest mod fiind evitate coliziuni sau defecte. În modul manual controlul este preluat de operator – mai puțin sigur dar este folosit pentru reglaje mecanice și optimizări.
Strângere și destrângere – utilizate în inițierea ciclurilor de acționare precum și în acționarea în manual .
Toate aceste acțiuni sunt semnalizate printr-o lampă de culoare verde cu semnale luminoase distincte – pulsuri luminoase, stările și etapele ce urmează precum și anumite mesaje sunt disponibile pe afișorul LCD al releului programabil LOGO!.
În procesul de funcționare, sistemul de prehensiune efectuează următorii pași logici:
semnal de start închidere prehensor,
senzorii montați pe degete, contactează sau nu obiectul de prehensat,
se intoduce în modulul programabil o funcție de temporizare cu rol de a preveni închiderea completă a prehensorului fără contactarea obiectului – Fi=0 – (ex.: IF t ≥ 3 secunde AND Fi = 0 THEN STOP),
obiectul va fi contactat cu cel puțin un senzor de pe fiecare deget,
strângerea se efectuează până când se atinge forța de strângere setată pe unul dintre cei doi senzori,
la atingerea forței setate, procesul de strângere încetează,
deschiderea prehensorului se face fie printr-o funcție de temporizare sau în modul manual la comanda dată de operator.
Structura sistemului de prehensiune simplă
O structură simplă de prehensiune presupune un număr redus de componente, însă aceasta trebuie să asigure condițiile minime de prehensiune exprimate în capitolul 3: „șapte forțe de contact dintre care șase să fie independente”.
Așa cum a rezultat în urma analizei multicriteriale, vom crea o structură nouă având la bază variantele constructive V1; V5 și V6.
Se vor analiza și variantele constructive noi propuse în cadrul capitolului 4 – „Variante constructive noi, propuse și proiectate”, alegând varianta cea mai puțin complexă reprezentată de prehensorul cu două degete.
Se desprinde în urma analizei efectuate în acest capitol următoarea temă de proiectare: Se va proiecta un prehensor cu două degete, având sistem de transmitere cu bare articulate, pe flange se vor atașa bacuri cu cuplă sferică, pe bacuri se vor atașa senzori, acționarea va fi electrică și mișcarea va fi transmisă printr-un sistem șurub piuliță.
6.4. Schițarea prehensorului
6.4.1. Schema structurală a prehensorului
Se ajunge, din cele prezentate anterior, la o acționare prin cuplă de translație (șurub –piuliță) și un sistem de bare articulate tip diade RRR la prima falangă, de la care se acționează falanga a doua. Ca atare, vom avea varianta structurală simplă cu deget având două falange (figura 6.13.). Se desprinde varianta de prehensor cu două degete identice acționate independent (figura 6.13.), variantă care se poate simplifica prin folosirea unui singur element motor, ajungându-se la schema finală din figura 6.14.
Figura 6.13. – Schița prehensorului
Figura 6.14. –Schița finală a prehensorului
6.4.2. Proiectare 3D
După schițarea prehensorului și definirea dimensiunilor primare, următorul pas îl constituie modelarea 3D a componentelor acestuia.
Pentru exemplificare am avut în vedere o piesă simplă ex. un șurub M10. Ca și element de importanța deosebită amintim aici faptul ca proiectarea 3D, deși cunoaște posibilități nelimitate de realizare, trebuie să fie fundamentată pe posibilitățile de prelucrare și montaj ale piesei proiectate [STC 07]; [VEL 98].
Etapele proiectarii 3D, având la bază logica prelucrarii tehnologice, sunt prezentate în figura 6.15., unde:
a) reprezintă realizarea schiței ce urmează a fi extrudată,
b) reprezintă definirea funcțiilor de extrudare “Extrude”,
c) reprezintă piesa după două extrudari succesive și deschiderea meniului de definire a teșiturilor,
d) reprezintă deschiderea meniului (casetei de dialog) reprezentând definirea racordurilor,
e) reprezintă deschiderea ferestrei de dialog de decupare a solidului pe baza unei schițe realizate anterior “Cut-Extrude”,
f) reprezintă piesa rezultată în urma procesului de modelare 3D.
Figura 6.15. – Exemplu de modelare 3D
După modelarea 3D a tuturor componentelor, următoarea etapă o constituie asamblarea componentelor modelate 3D (aici este prezentată doar asamblarea bacului cu a doua falangă a degetului 1) și verificarea funcționării acestuia, (figura 6.16.) unde:
reprezintă deschiderea meniului de inserare în ansamblu a unei noi componente,
reprezintă definirea constrângerilor dintre ansamblu și piesa inserată,
reprezintă ansamblul realizat.
Figura 6.16. – Asamblarea virtuală a prehensorului
După procesul de asamblare virtuală, în care s-au definit componentele și constrângerile, urmează o verificare a corectiudinii asamblării și a funcționării ansamblului proiectat. Etapele verificării funcționării mecanismului sunt prezentate în figura 6.17.a. și b., unde:
după realizarea ansamblului se realizează bifarea opțiunilor referitoare la : stop la contact, entire scope…. (identificarea coliziunilor între componente – inclusiv cele interne, dacă sunt erori de proiectare),
identificarea problemei prin modificarea culorii componentelor ce intră în coliziune.
a.
b.
Figura 6.17. – Verificarea funcționării corecte
6.4.3. Verificarea închiderii prehensorului
Închiderea prehensorului presupune contactul dintre ultimele falange ale degetelor astfel încât prehensiunea să se realizeze în condiții optime, închiderea acestuia trebuie să țină seama de pozițiile relative ale degetelor și de deplasările din cuple.
Proiectarea 3D prezintă și avantajul simulării până la detaliu a funcționării prehensorului, ținând cont de legăturile stabilite între elemente.
Astfel, este deosebit de ușor să se stabilească dacă prehensorul se închide sau nu corect – figura 6.18.
Figura 6.18. – Verificarea funcționării și închiderii corecte
În eventualitatea apariției problemelor la închidere, elementele constructive se modifică, modificându-se totodată și desenele de execuție (în mod automat de către softul folosit) – figura 6.19., unde:
desenul anterior modificării,
desenul ulterior modificării (realizat în mod automat),
ansamblul ulterior modificării.
c.
Figura 6.19. – Simulări privind modificarea automată a documentației de lucru
Desenele de executie au fost realizate de autor in AUTOCAD prin importul de date din SolidWorks.
6.5. Concluzii
În capitol este propusă o definiție proprie a conceptului de proiectare optimală, bazat pe etapele procesului de proiectare optimală realizat cu sisteme CAD.
Pe baza analizei metodelor de optimizare a proiectării se alege, pentru dezvoltarea/conceperea unui prehensor antropomorf, metoda analizei multicriteriale, impunându-se criterii de apreiere și cerințe în vederea obținerii prehensorului optim.
Sunt analizate 16 variante reprezentative de prehensoare pe baza caracteristicilor acestora, departajându-se în primă fază șapte variante performante. După impunerea coeficienților de pondere a criteriilor sunt reținute trei variante – cele mai bune din punct de vedere al comptibilității cu criteriile stabilite.
Întrucât niciuna dintre cele trei variante nu a întrunit punctajul maxim în cadrul analizei morfologice, se impune proiectarea unei soluții hibrid între cele trei variante.
Se trece astfel la conceperea (proiectarea) unui prehensor antropomorf optim: prehensor cu două degete, fiecare cu câte două falange, pe falange fiind atașate bacuri prin intermediul unor capsule sferice.
Sunt utilizate rezultatele obținute și prezentate în capitolele anterioare:
posibilitatea de a crea un prehensor simplu cu flexibilitate mare în exploatare,
utilizarea prehensorului cu două degete prezentat în capitolul 4,
utilizarea capsulelor sferice atașate falangelor din cadrul capitolului 5,
Originalitatea și performanțele capsulei sferice fac din acest prehensor simplu un prehensor cu posibilități de prindere a unor piese de formă complicată.
S-a ales un sistem de acționare și de control al prehensiunii performant, prehensorul, în totalitatea sa, având caracteristici superioare într-o structură simplă.
În capitol se desprind următoarele concluzii:
analiza multicriterială atestă faptul că prehensoarele cu număr redus de degete sunt recomandate din punct de vedere al raportului performanță / complexitate (preț),
metoda mediatoarei propusă de autor se dovedește o unealtă eficientă și simplă in procesul de optimizare a mecanismelor cu bare articulate,
definirea etapelor de proiectare asistată de calculator, se bazează pe un mers logic al procesului, care odată respectat, elimină erorile de proiectare
varianta de mecanism propusă (varianta optimă), se distinge prin simplitate și performanță.
CONCEPEREA ȘI REALIZAREA STANDULUI DE ÎNCERCĂRI ȘI A EXPERIMENTELOR
Capitolul își propune să prezinte realizarea standului pentru testare bazat pe subsistemele de acționare și transmitere a mișcării definite anterior și pe prehensorul optimizat (schema scructurală nouă, atașarea bacurilor cu cuple sferice la falange, atașarea senzorilor de presiune pentru controlul în forță al strângerii). De asemenea, se verifică funcționarea sistemului conform proiectului realizat.
În partea a doua a capitolului se efectuează o validare experimentală a relațiilor exprimate în cadrul capitolului 4.
7.1. Componentele standului de testare
În baza noțiunilor exprimate în capitolele anterioare și a variantei optime de proiectat definite în cadrul capitolului 6, s-a realizat prehensorul antropomorf cu număr redus de degete pentru roboți prezentat în figura 7.1.
Figura 7.1. – Elementele constitutive ale prehensorului antropomorf realizat și supus testelor
Standul are în componență următoarele elemente (figura 7.2.):
prehensor antropomorf cu două degete, (documentația tehnică fiind realizată de autor), este compus din 61 elemente constitutive grupate în 26 tipuri diferite (inclusiv cele 4 + 1 capsule sferice atașate degetelor) conform figurii 7.1. și are un raport de 1,5:1 față de mâna umană;
sistem de transmitere a mișcării de tip șurub – piuliță, ce face legătura între elementul motor și prehensor;
grupul motor de tipul Maxon DC, RE 40 Ø40 mm, Graphite Brushes; acestuia îi este atașat un reductor planetar tip GP 42 C Ø42 mm, 3 – 15 Nm, Ceramic Version și un encoder tip MR, Type L, 256 CPT, 3 Channels, with Line Drive;
suporți de susținere, pentru elementul motor și sistemul de transmitere, fixați pe placa de bază;
sistem de comandă și control;
placa de bază, pe care se află montate toate componentele standului.
Grupul motor a fost achiziționat de la MAXON MOTOR, cu susținere financiară din proiectul CNCSIS – 446-1/2006. Componentele electronice ale unității de comandă a prehensorului au fost achiziționate din surse proprii. Componentele mecanice ale prehensorului și ale sistemului de transmitere a mișcării au fost realizate în cadrul atelierului de Prototipuri – Inventică al Universității Transilvania din Brașov, cu susținere financiară din proiectul de cercetare 446-10/2007.
Figura 7.2. – Standul de testare conceput
În figurile 7.3. și 7.4. sunt prezentate două fotografii ale standului realizat în baza proiectului prezentat în figura 7.2.
Figura 7.3. – Standul de testare realizat
Figura 7.4. – Detaliu prehensor și efectuare teste control în forță
Elementele electronice, componente ale unității de comandă a prehensorului (UCP) sunt urmatoarele:
Modul de alimentare – generează toate tensiunile necesare funcționării unității de comandă a prehensorului (UCP), fiind compus din :
circuit de alimentare la 230Vac cu protecție la scurtcircuit realizat cu siguranță fuzibilă,
transformator coborâtor de tensiune 230Vac / 24 Vac,
redresor dublă alternanță de tip punte de diode 50 V / 8 A,
filtru DC cu condensator pentru nivelarea pulsurilor rezultate în urma redresării și netezirea tensiunii continue,
canale de tensiuni stabilizate și filtrate pentru alimentarea diverșilor consumatori din UCP – acestea sunt semnalizate prin leduri de stare/prezență – culoare verde OK,
tensiune de 24Vdc/5 A – pentru alimentare releu programabil LOGO! și Controler Motor DC precum și pentru alimentarea comenzilor/butoanelor destinate funcționării UCP – ALIM 24 = OK indică disponibilitatea acestei tensiuni,
tensiune de 10Vdc/500 mA – pentru alimentare traductoare rezistive de forță FSR 1&2 precum și stabilirea nivelului de referință față de care se face evaluarea valorilor de tensiune/forță ale FSR 1&2 – ref 10 = OK indică disponibilitatea acestei tensiuni .
Releu programabil LOGO! SIEMENS – stabilește relații logice bazate pe un program ce rulează ciclic între INTRARI (IN) – componentele periferice ale sistemului: senzori, butoane, potențiometrii SI IESIRI (OUT) – acțiuni ce se doresc a fi executate – semnalizări optice, acționare respectiv comandă Controler Motor DC. Acesta dispune de 8 IN dintre care 4 pot fi analogice adică acceptă semnal variabil 0-10 Vdc și 4 OUT ieșiri pe releu care pot fi utilizate pentru acțiuni/comenzi ce se doresc a fi executate în raport cu funcționalitatea programului. Releul programabil dispune de toate funcțiile logice corespunzatoare matematicii booleene, precum și cele de temporizare, numărare, scalare valori analogice, eșantionare și vizualizare stări interne dar și generarea unor mesaje de stare sau ajutătoare.
Controler Motor DC UCM – asigură comanda și monitorizarea parametrilor de acționare ai motorului – ansamblu mecanic PREHENSOR. Acest controler permite acționarea bidirecțională a rotației motorului de antrenare, precum și monitorizarea curentului de sarcină, rezultând implicit protejarea motorului, iar orice neconcordanță între viteza de avans și sarcina suportată de motor se va semnaliza prin LED – roșu – FAULT(EROR UCM). Reglajul vitezei de acționare se realizează din potențiometrul Reglaj Viteza AVANS. Acesta stabilește o rampă de accelarare într-un interval de timp dat, ceea ce face ca răspunsul întregului lanț cinematic motor – reductor să fie mai rapid sau mai lent, în funcție de necesitate.
UCM este realizat cu EM-115 DC – unitate ce folosește tehnica avansată de comandă, adică PWM (pulse width modulation – comandă în impulsuri modulate în frecvență) a părții de forță care este realizată cu tranzistoare MOSFET cuplate în punte H ce asigură acționare bidirectională, precum și control 0 – 100% a motorului de curent continuu.
Motorul de CC – de tip MAXTOR care, împreună cu reductorul GP 42 C, realizează antrenarea întregului ansamblu mecanic PREHENSOR.
Senzori de presiune FSR – realizează transpunerea proporțională a semnalului de forță de apăsare în rezistență electrică, care ulterior este liniarizată prin amplificare și adaptare/scalare la un nivel de tensiune optim (0 – 10Vdc) pentru integrarea ca și mărime de intrare în LOGO!.
7.2. Descrierea funcționării standului
După ce sistemul (standul) este astfel montat, se conectează unitatea centrală la o sursă de curent alternativ 220V.
Figura 7.5. – Sistemul de comandă și control
De la întrerupătorul notat cu “AC P/O” se pornește sistemul,
Se reglează cele două potențiometre notate cu “Referință” și “Avans”; Potențiometrul marcat cu “Referință” vizează reglarea limitelor de strângere (până la care valoare a strângerii – înregistrată de senzori – motorul acționează în sensul strângerii), iar potențiometrul marcat cu “Avans” reglează viteza de rotație dată de elementul motor.
Întrerupătorul notat cu “DEMO/ MAN” testează funcționarea prehensorului (închiderea și deschiderea) în mod demo, neluând în calcul forțele de prehensiune.
Întrerupătoarele marcate cu “Strâns” și “Destrâns” sunt cele care dau comanda de start pentru un proces. Odată acționat întrerupătorul “Strâns”, arborele motorului execută o mișcare în sens invers acelor de ceasornic, iar prin intermediul mecanismului șurub – piuliță, prehensorul se închide până cand bacurile intră în contact cu obiectul și forțele setate prin potențiometrul “Referință” sunt atinse. Odată atinse aceste forțe, procesul de strângere se oprește automat și poate să repornească automat doar dacă forțele de strângere scad sub valoarea setată ca urmare a cedărilor elastice ale obiectului.
Există și un întrerupător de urgență notat cu “Stop Urgență”, utilizat manual în cazul în care apar riscuri de distrugere a sistemuului. În acest caz, decizia de acționare este 100% umană.
În partea stângă s-au montat și leduri indicatoare care indică funcționarea corectă sau incorectă a sistemului, notate astfel: “Alim 24 OK” indică faptul ca transformatorul din cadrul unității centrale funcționează corect și motorul este alimentat corect; “Ref 10 OK” indică faptul ca potențiometrele funcționează corect; “Eror UCM” arată că în unitatea centrală există disfuncționalități și sistemul trebuie oprit imediat; “Stop Urg” arată că a fost accesat întrerupătorul “Stop urgență” și sistemul nu va mai executa nicio mișcare până la anularea acestei comenzi; “Mod Demo” activat arată că a fost activat întrerupătorul “DEMO/ MAN” și nu se pot realiza teste cu senzorii activi.
În partea dreaptă, lângă modulul LOGO-Siemens, se află un led verde care confirmă buna funcționare a acestuia.
Întregul sistem de comandă poate fi atașat unui PC, astfel încât rezultatele prehensiunii să se poată vizualiza precum în figura 7.6.
Figura 7.6. – Vizualizarea valorilor returnate de modulul de comandă și control
Valorile returnate de senzori (în acest caz 689 și 755) reprezintă sutimi de volți adică semnalul de ieșire pentru senzorul dreapta este 6,89 volți iar pentru cel din stânga de 7,55 volți. În funcție de caracteristicile senzorilor folosiți se poate face o conversie din Tensiune în Forță [www27]. În figura 7.7. sunt date, de producătorul senzorilor, curbele de variație ale tensiunii de ieșire funcție de forțele aplicate perpendicular pe senzori la diferite valori (constructive) ale rezistenței.
Figura 7.7. – Relații între tensiune și forță funcție de rezistență
Senzitivitatea forței este bazată pe rezistori utilizând proprietatea electrică a rezistenței. Rezistorii de percepere a forței conțin un material senzitiv care este atașat unui lat film așa cum se prezintă în figura 7.8. Circuitul electric dintre cele două seturi de conductoare de pe celălat film este realizat de material rezistiv. Așadar când o forță este aplicată senzorului, o conecție mai bună se realizează între contacte, deci conductivitatea crește.
a) FSR 402 cu suprafața activă de 0,5”; b) diagrama unui senzor FSR
Figura 7.8. – Caractristicile senzorului FSR
7.3. Calibrarea senzorilor
Înainte de efectuarea testelor, pentru asigurarea acurateții datelor, senzorii se vor calibra, validându-se astfel caracteristicile înscrise în documentația tehnică. Etapele calibrării sunt prezentate în figura 7.9., astfel:
Se utilizează un cântar max 10 Kg; pe acesta se așează o placă metalică, apoi senzorul, apoi altă placă metalică;
Cântarul astfel pregătit se reglează în echilibru la ZERO grame;
Se atașează obiecte de diferite mase (aici s-a folosit recipient cu apă, care s-a completat din 100 în 100 ml.);
Pe măsura creșterii forței, se citește pe monitor valoarea în Volți returnată de senzori.
Figura 7.9. – Calibrarea senzorilor
În urma procesului de verificare și calibrare a senzorilor, se observă că dependența între tensiunea de ieșire și forță nu este una liniară, ci una logaritmică, confirmând caracteristicile puse la dispoziție de producatorul senzorilor. Valorile obținute au fost transpuse în formă grafică și a rezultat funcția:
(7.1.)
unde “x” reprezintă forța de prehensiune perpendiculară pe senzor, (figura 7.10.).
Figura 7.10. – Tensiunea de ieșire funcție de forță
Pentru experimentele și simulările efectuate, valorile de ieșire (returnate de sistem) sunt exprimate în volți.
Experimental a fost determinată curba de variație a tensiunii de ieșire funție de forța aplicată senzorului (relația 7.1)
Pentru a afla forța aplicată senzorului, se citeste valoarea tensiunii (returnată de sistem), se inlocuiește in relatia 7.1 și se află valoarea „x”
, (7.2.)
, (7.3.)
x fiind forța funcție de tensiunea indicată (returnată de sistem)
7.4. Validarea experimentală a rezultatelor teoretice
Experimentele efectuate cu standul prezentat s-au desfășurat în trei direcții:
Verificarea posibilităților de prehensiune a suprafețelor complexe;
Testarea controlului în forță a prehensiunii în baza relațiilor 7.1. – 7.3.
Validarea experimentală a relațiilor de cineto-statică exprimate în subcapitolul 4.3.5.
7.4.1. Verificarea posibilităților de prehensiune a suprafețelor complexe
Folosind prehensorul de pe stand, prehensor conceput/ realizat de autor, au fost testate posibilități de prehensiune utilizând mai multe tipuri de suprafețe, de la cele elementare (cilindru, paralelipiped, sferă), până la cele neregulate (complexe).
Elementul important îl constituie mobilitatea bacurilor și posibilitatea acestora de a se așeza perpendicular pe orice tip de suprafață (figura 7.11.), cu precizarea că bacurile sunt atașate de degetele prehensorului prin capsulele sferice concepute de autor.
Figura 7.11. – Posibilități de prehensare
Corespunzător complexității formei geometrice a obiectelor, prinderea/ fixarea acestora se realizează cu un număr mai mare sau mai mic de bacuri. Se observă în figură numărul de bacuri ce intră în contact cu obiectul prehensat astfel:
a + d + e – contact cu trei bacuri; b – contact cu două bacuri; c + f + g + h – contact cu patru bacuri, prehensorul având posibilitatea adaptării sale la complexitatea formelor geometrice ale obiectelor.
7.4.2. Controlul în forță al prehensiunii
Pe lângă posibilitățile de a returna o tensiune de ieșire, în urma aplicării unei forțe pe senzorii rezistivi, sistemul are și posibilitatea de a permite setarea unei volori de referință (exprimată de asemenea în Volt), aceasta reprezentând limita până la care se desfășoară procesul de strângere.
Întrucât degetele sunt dispuse în același plan, s-a determinat experimental forța de prehensiune astfel încât obiectul să nu alunece din prehensor. Pentru acest experiment s-a utilizat mâna umană (figura 7.12.), rezultatele fiind trecute în tabelul 7.1.
Figura 7.12. – Determinarea forțelor minime de strângere
În tabel sunt înscrise valori ale forțelor determinate experimental funcție de greutatea obiectului prehensat. În tabel au fost determinate în baza relației 7.3. forțele perpendiculare pe obiect, necesare anulării forței gravitaționale. Astfel, pentru prehensiunea unui ou, ca în figura 7.12. sunt necesare forțe de minim 3,7 și 3,67 N.
Tabelul 7.1. Valori ale forțelor de strângeredeterminate experimental
Pentru prehensarea sticlei de 0,5 Kg a fost setată o valoare a tensiunii de referință de 8,9 volți. În prima parte a prehensiunii (unde bacurile se apropie de obiect), cei doi senzori indică valoarea zero; valoarea tensiunii de ieșire crește odată cu contactul cu obiectul și variază funcție de modul de așezare a bacurilor pe obiect, procesul de strângere continuând până când ambii senzori au atins valoarea de referință setată (figura 7.13.).
Figura 7.13. – Graficul prehensiunii unei sticle
În figura 7.14., la prehensiunea unui măr (au fost setate două valori de referință în timpul prehensiunii), se observă în prima etapă a prinderii un dezechilibru între cele două forțe, dezechilibru ce este datorat necentrării obiectului față de prehensor. În timpul prehensiunii obiectul se autocentrează funcție de poziția bacurilor cu care intră în contact.
Figura 7.14. – Variații ale forței de prehensiune funcție de poziția obiectului în prehensor.
Figura 7.15. – Evoluția forțelor funcție de comanda strângere – destrângere
Figura 7.15. ilustrează evoluția forțelor de strângere în funcție de comanda strângere –destrângere dată de automatul programabil în momentul atingerii valorilor de referință setate. Pe măsură ce valoarea de referință este crescută (manual), automatul programabil dă comanda de strângere, iar forțele de prehensiune cresc până la atingerea valorii de referință. Pentru exemplificare pe grafic, la momentul tn, odată cu atingerea valorii setate de către ambii senzori, strângerea este oprită și forțele se reduc datorită cedărilor elastice ale sistemului, apoi se reia automat procesul de strângere pentru reatingerea valorii de referință. Se observă în grafic scăderi de până la 0,7 volți (1,13 N); acest lucru înseamnă că tensiunea de referință trebuie setată mai mare cu 0,7 volți față de minimul necesar definit în exemplele din tabelul 7.1., evitând astfel alunecarea obiectului din prehensor.
7.4.3. Validarea experimentală a deplasărilor in cuplele cinematice
exprimate in subcapitolul 4.3.5.
În cadrul capitolului 4, deplasarea totală în cupla de translație a fost definită ca fiind h = 8mm.
Experimental, putem arăta că această deplasare în cupla de translație se pastrează (conform figurii 7.16., iar unghiul ϕ7=90o, așa cum a rezultat din analiza cinematică.
Figura 7.16. – Deplasarea în cupla de translație
În sensul limitării cursei la 8 mm, au fost introduse constructiv două sisteme de limitare cursă ca în figura 7.17. Acestea permit deplasarea în cupla A (de la poziția complet deschis, la poziția complet închis cu doar 8 mm.
Figura 7.17. – Elemente de blocare pentru asigurarea cursei optime
7.4.4. Experimente privind forțele de prehensiune în raport cu forța motoare
Pentru determinarea forțelor de prehensiune în raport cu forța motoare, experimental s-a procedat astfel:
S-a considerat ca fiind reprezentativ pentru analiză unul dintre degete (ambele degete sunt identice);
S-a aplicat un senzor rezistiv pe ultima falangă a degetului și un senzor pe elementul de translație conform figurii 7.18.;
S-au efectuat teste de prehensiune cu diferite obiecte, de diferite dimensiuni;
S-au cules date prin sistemul de comandă și control la deplasări în cupla A astfel: h = 0 mm; h = 4 mm.; h = 6 mm. și h = 8 mm.
Figura 7.18. – Determinarea forțelor de prehensiune vs. forța motoare
Variația forțelor de prehensiune funcție de forța de acționare este redată grafic în figura 7.19.
Figura 7.19. – Variația tensiunilor de intrare-ieșire (corespondente forțelor de intrare/ieșire)
Analizând graficele se observă că utilizarea optimă a prehensorului se face atunci când se manipulează obiecte de dimensiuni mari.
Pentru exemplificare, la o deplasare în cupla de translație cu 6 mm (prehensarea unui obiect de 47mm.), tensiunea de ieșire [V], aferentă forței de intrare – la un moment t0 – este 7,5 V, iar tensiunea de ieșire [V], aferentă forței de prehensiune este 2,5 V.
Utilizând relația 7.3. determinată anterior, se pot calcula cele două forțe (intrare și ieșire).
rezultând:
Fi= 10,58 N
Fe= 2,04 N
Variația celor două forțe, exprimată grafic la prehensiunea unui obiect de Ø 47 mm (deplasare h=6 mm) este evidențiată în figura 7.20.
Figura 7.20. – Forța de prehensiune funcție de forța motoare
7.5. Concluzii
În capitol este prezentat standul experimental conceput/realizat și modul acestuia de funcționare.
Elementele de noutate introduse în cadrul realizării standului au la bază rezultatele cercetărilor prezentate în capitolele anterioare:
1. Structura mecanică de transmitere a mișcării cu bare articulate în care toate barele sunt supuse la tracțiune, asigurând astfel suplețea mecanismului și totodata robustețe în funcționare.
2. Utilizarea unor bacuri atașate degetelor prin capsule sferice, importanța acestora fiind subliniată prin multitudinea de obiecte și suprafețe ce pot fi prehensate, chiar utilizând un prehensor cu două degete.
3. Montarea senzorilor în interiorul bacurilor (care se așează perpendicular pe orice tip de suprafața), fapt ce permite controlul în forță al prehensiunii.
4. Utilizarea unui prehensor antropomorf cu număr redus de degete (două).
Prin testele efectuate se observă că prehensiunea sigură a obiectelor se poate realiza chiar dacă obiectul nu este centrat față de prehensor, rolul însemnat al capsulelor sferice fiind astfel demonstrat.
A fost determinată experimental funcția forței de prehensiune al cărei grafic urmărește aceeași curbă logaritmică definită de producatorul senzorilor.
Setarea valorilor de referință s-a facut experimental, astfel încât să se asigure prinderea sigură a obiectelor.
Structura standului de testare este una completă, dar suficient de simplă și de eficientă.
În componența standului s-au introdus atat componente achiziționate (grupul motor, elementele sistemului de comandă și control, transmisia șurub – piuliță), cât și componente executate în atelier (prehensorul, suporții, placa de bază).
Modul de descriere a funcționalității standului și de calibrare a senzorilor face posibilă utilizarea acestuia și de terțe persoane, mai putin avizate.
Diversitatea obiectelor supuse testărilor și modul lor de prindere indică performanțele ridicate ale capsulelor sferice (bacuri) dispuse pe falangele degetelor, ca și performanțe ridicate de prindere ale prehensorului cu două degete conceput.
Testarea controlului în forță a prehensiunii dovedește buna legatură și funcționare între elementele constitutive ale standului (prehensor- sistem comandă și control – sistem acționare).
Sistemul de prehensiune realizat prezintă posibilități crescute de prehensiune, control în forță al prehensiunii, robustețe și în același timp simplitate constructivă.
În cadrul experimentelor efectuate, au fost validate aspectele teoretice dezvoltate pe parcursul lucrării.
Prin testarea prinderii diferitelor obiecte cu suprafețe complexe a fost demonstrată corectitudinea ideii de a utiliza prehensoare cu număr redus de degete și simplitate structurală (un grad de mobilitate), pentru a prehensa sigur orice tipuri de obiecte, având totodată și control asupra forțelor generate în timpul strângerii.
EVALUAREA REZULTATELOR, FORMULAREA DE CONCLUZII ȘI RECOMANDĂRI
8.1. Valorificare rezultate
O parte din rezultatele cercetării sunt prezentate în capitolele tezei. La baza lor au stat numeroase cercetări întreprinse și concretizate prin:
publicarea și susținerea a 15 lucrări științifice (semnalate la bibliografie), dintre care 8 ca prim autor în cadrul unor manifestări științifice de specialitate din țară și străinătate ( una ca unic autor) și alte două lucrări științifice trimise spre publicare.
participarea în echipa de cercetare a proiectului CNCSIS – 446-1/2006, 446-10/2007 și 446-3/2008, director Prof. univ. dr. ing. Petre Alexandru, intitulat “Cercetarea teoretică, practică și experimentală a unor sisteme mecanice de modelare a prehensiunii și a pășirii – caracteristice membrelor umane”;
proiectarea (realizarea documentației complete – desene de execuție) pentru două prehensoare antropomorfe cu acționare pneumatică, utilizate ca și material de studiu;
proiectarea și realizarea standului de testare pentru un prehensor cu degete, care îmbunătățește baza materială a Departamentului de Design de Produs, Mecatronica si Mediu.
8.2. Concluzii finale și contribuții proprii/originale
Cercetările teoretice și experimentale ale sistemelor de prehensiune cu număr redus de degete prezentat în cadrul tezei prezintă interes deoarece:
lărgește semnificativ baza de date referitoare la mecanismele de prehensare cu degete prin sistematizări, modelări geometrico – cinematice și scheme structurale noi propuse;
dezvoltă metode de analiză cinematică și modelări cinetostatice pentru mecanismele noi;
propune o abordare nouă în ceea ce privește etapele proiectării optimale utilizând soft-uri performante precum SolidWorks, AutoCAD;
aduce completări clasificării prehensiunii realizate de Cutkosky și Wright, prin identificarea a două noi posibilități de prehensiune (putere și precizie) cu două degete.
Lucrarea de față contribuie la obținerea și prototiparea unui design optim pentru mecanismul de prehensare cu degete care să asigure prinderea obiectului indiferent de forma suprafeței obiectului prehensat, potrivit pentru aplicațiile robotice.
A fost elaborată o schemă de optimizare bazată pe analiza multicriterială și a unei metode de determinare geometrică a poziției cuplelor barelor articulate funcție de analizele cinematice ale mecanismelor (Metoda Mediatoarei), aceste aspecte conducând la obținerea unei scheme structurale noi.
De asemenea, se remarcă optimizările aduse subsistemelor senzoriale atașate prin utilizarea unor bacuri speciale (care sunt și suport pentru senzori). Bacurile atașate degetelor prin cuple sferice se așeaza mereu perpendicular pe suprafețele prehensate, iar senzorii returnează sistemului de comandă valori ce permit funcționarea corectă și sigură a prehensorului.
Rezultatele obținute oferă posibilitatea evidențierii următoarelor aspecte, drept contribuții proprii:
sistematizarea prehensoarelor, cu introducere de elemente proprii, atât pentru simularea creativă a design-ului noilor mecanisme cât și pentru optimizarea soluțiilor deja existente;
propunerea unor noi mecanisme, cu bare articulate cu unul, respectiv două grade de mobilitate;
proiectarea a trei prehensoare antropomorfe cu două, trei, respectiv cinci degete, dintre care unul executat și testat;
centralizarea și sistematizarea datelor obținute în urma simulărilor cinetostatice;
completarea sistematizării facute de Cutkosky și Wright în 1986 prin identificarea a două tipuri noi de prindere
identificarea și elaborarea cerințelor (criteriilor) în vederea optimizării mecanismelor de prehensiune cu degete și determinarea variantei optime ce a stat la baza realizării standului experimental, folosind analiza multicriteriala;
propunerea unor criterii optime de evaluare cantitativă și calitativă a performanțelor prehensorului, în vederea alegerii design-ului optim (cel mai avantajos dintre schemele propuse);
proiectarea soluției constructive a sistemului de prehensare în mediul virtual 3D și efectuarea de simulări în condiții reale de gravitație urmărind secvențele și evenimentele dorite, utilizând soft-ul SolidWoks;
testarea în mediu virtual a întregul ansamblu și confirmarea faptului ca nu sunt vicii de proiectare;
evidențierea importanței controlului forței de prindere din punctul de vedere al creșterii siguranței operațiilor de fixare .
efectuarea desenelor de execuție ale mecanismului de prehensare cu două degete ales în vederea realizării;
realizarea constructivă a prototipului prehensor și experimentarea lui;
achiziționarea sistemelor de acționare, control, senzorial, a plăcii de amplificare a semnalelor analogice ale senzorilor și placa de achiziționari date, toate fiind asamblate pentru experimentarea standului;
conceperea unor elemente auxiliare noi atașate falangelor în scopul asigurării prehensiunii sigure chiar și cu număr redus de degete.
testarea întregului ansamblu;
validarea experimentală a rezultatelor teoretice;
elaborarea de concluzii și recomandari pentru proiectare, care reies din analiza critică a rezultatelor obținute în cazul prehensoarelor cu două bacuri.
8.3. Diseminarea rezultatelor
Pe parcursul anilor de studiu, în pregătirea tezei de doctorat, conostintele acumulate au fost valorificate în următoarele direcții:
îmbogățirea literaturii de specialitate prin publicarea a 15 articole stiintifice,
utilizarea cunoștințelor în mediul economic
8.3.1. Articole științifice publicate
Bolboe M., Starețu I., Stăncescu C., “The synthesis and modelling of an anthropomorphical gripping mechanism with four fingers for robots”, În: The 2-rd International Conference of Robotics, Timisoara, 2004, p. 29-30.
Bolboe, M., Starețu, I., Itu, A. Design, CAD model and functional simulation for an anthropomorphic gripper for robots. Proceeding of The 8th International Conference on Mechatronics and Precision Engineering – Acta Technica Napocensis, series: Applied Mathematics and Mechanics, 49, vol. II, 2006, Technical University of Cluj-Napoca, ISSN 1221–5872, p. 15–20.
Bolboe, M., Starețu, I., Familie de prehensoare antropomorfe pentru roboți –sinteză și analiză structurală și cinematică, proiectare constructivă, Buletinul Simpozionului International PRASIC 06, Brasov, 2006, Vol. I- Mecanisme si Tribologie, p.35-39.
Bolboe, M., Alexandru, P., 3D – CAD model of the antropomorphic gripping system with 4 fingers – structural and kinematic analysis, Proceedings of the SISOM 2007, Bucharest 29-31 May, Romania, p.141-147.
Bolboe, M., Starețu, I., Mechanischer entwurf, Antrieb, Steuerung und Kontrolle Antropomorpher Greifmechanismen Fallstudien, Vol. 6, nr.2, 2007,ARoTMM-IFToMM, p.27-32.
Bolboe, M., Starețu, I., Family of anthropomorphic grippers for robots – design, command, control and funcțional simulation, 11th International Research/Expert Conference ”Trends in the Development of Machinery and Associated Technology” TMT 2007, Hammamet, Tunisia, 05-09 September, 2007. pag 627-631.
Bolboe, M., Alexandru, P., 3D – CAD model of a gripping system with three fingers – structural analysis, Proceedings of the SISOM 2008, Bucharest 29-30 May, Romania, p.144-147.
Bolboe, M., Structura mecanica, acționarea, comanda si controlul prehensoarelor cu degete. Studiu de caz, Revista științifică a ARoTMM Mecanisme și Manipulatoare, Vol 10, Nr.2, 2011, ISSN 1583-4743,
p.15-18.
Starețu, I., Bolboe, M., The Stages for Design of the Anthropomorphic Gripping Mechanisms used like Human Hand Prostheses Applied at Two Examples, Proc. of IX Intenational Conference on Theory of Machines and Mechanisms, august 31- septembrie 2, 2004, Liberec, Czech Republic, ISBN 80-7083-847-7, p. 723-728.
Starețu, I., Bolboe, M., The stages for design of the anthropomorphic gripping mechanisms for robots applied at two examples, Proc. of IX Intenational Conference on Theory of Machines and Mechanisms, august 31- septembrie 2, 2004, Liberec, Czech Republic, ISBN 80-7083-847-7, p. 723-728, p. 717-722.
Starețu, I., Bolboe, M., Mechanical Anthropomorphic Gripper for Robots- Constructive Design and Comand, International Scientific Conference. IFToMM Czech National Committee and Technical University of OSTRAVA, September 7-9, 2005, p.109-112.
Starețu, I., Bolboe, M., Sinthesis, analysis, design and functional simulation for a family of anthropomorphic grippers for robots , Proceedings of the SISOM 2007, Bucharest 29-31 May, Romania, p.131-134.
Starețu, I., Bolboe, M., Design, Command, Control and Functional Simulation for a Family of Anthropomophic Grippers for Robots, Proceedings of the 16TH Workshop on Robotics in Alpe-Adria-Danube-Region, Ljubliana, June 7-9, RAAD 2007, ISBN 978-961-243-066-5 p.13
Starețu, I., Bolboe, M., Familie de prehensoare antropomorfe pentru roboți –proiectare, comandă, control și simulare funcțională, Buletin AGIR nr.4, octombrie-decembrie 2007, ISSN 1224 – 7928, p.36-42
Stăncescu, C., Starețu I., Bolboe, M. Aspects Concerning the Systematization of Gripping Device with Jaws, The 9th International Conference of Mechanisms and Mechanical Transmissions. MTM 2004, Acta Technica Napocensis, Seria: Applied Mathematics and Mechanics 47, vol II, pp. 729–734, Cluj-Napoca 2004, ISSN 1221-587.
Lucrări trimise spre publicare:
Bolboe, M., Alexandru, P., Starețu, I. Design and experimental stand for an original anthropomorphic gripper with two fingers for robots, Sent for publishing to International Journal of Advanced Robotic Systems, InTech Journals, UE, 2013.
Bolboe, M., Starețu, I., Alexandru, P. Experimetal results regarding an anthropomorphic original gripper with two finger test during grasping objects with varied shapes, Sent for publishing to Journal of Mechanics Engineering and Automation, USA, 2013.
8.3.2. Utilizarea cunostințelor în mediul economic
Cunoștințele acumulate, au stat la baza unor acțiuni și decizii care au condus la îmbunatațirea rezultatelor financiare ale companiei al carei angajat este autorul tezei dupa cum urmează:
Metoda analizei multicriteriale a stat la baza multor decizii manageriale complexe, crescând cifra de afaceri a segmentului de automotive cu 14% in doi ani.
Utilizând metoda mediatoarei (prezentată în capitolul 6) au fost optimizate în cadrul companiei dispozitivele de manipulare inele pentru rulmenti cu diametre intre 400 si 2000 mm.
S-a dezvoltat proiectul de creștere a sigurantei în exploatare a manipulatoarelor pentru rulmenți prin optimizarea sistemului de bacuri (cu un manipulator sa se realizeze prinderea sigura atat a suprafetelor conice cat si a celor cilindrice, functie de tipul piesei de prelucrat)
Conceptul de proiectare optimală aplicat în cadrul companiei pentru proiectul „4-fach ist besser” a condus la optimizarea tehnologiei de strunjire prin proiectarea unei scule aschietoare noi, obținând locul 1 la concursul intern de Proiecte de raționalizare.
8.4. Direcții viitoare de cercetare
Teza de doctorat aduce în prim plan performanțele ridicate ce pot fi atinse de prehensoarele mecanice pentru roboți cu număr redus de degete, simple din punct de vedere mecanic, deschizând astfel noi direcții de cercetare:
Prehensiunea mecanică cu două degete cu mobilitate mare (acționarea independentă a fiecărei falange). Acest fapt ar asigura prehensorului mecanic posibilități foarte mari de micromanipulare.
Cercetări teoretice și experimentale privind contactul bac obiect prehensat, în scopul obținerii unor variante de bacuri cu flexibilitate ridicată în exploatare.
Cercetari privind proiectarea optimală pe platforme CAD a prehensoarelor antropomorfe pentru roboți sau protezare.
BIBLIOGRAFIA
Anexa I
CERCETĂRI TEORETICE ȘI EXPERIMENTALE
ALE PREHENSOARELOR ANTROPOMORFE CU NUMĂR REDUS DE DEGETE PENTRU ROBOȚI
Ing. Marian BOLBOE Conducător științific: Prof. univ. dr. ing. Petre ALEXANDRU
REZUMAT
Cuvinte cheie: prehensor, mecanisme cu bare, robot, prehensiune antropomorfă
În cadrul tezei de doctorat au fost realizate cercetări teoretice și experimentale ce au vizat prehensoarele antropomorfe cu număr redus de degete pentru roboți. Analiza critică a mecanismelor de prehensiune existente a evidențiat potențialul de dezvoltare a prehensiunii cu două degete, bazată pe structuri mecanice simple care să asigure totodată prehensiunea sigură a obiectelor cu suprafețe complexe.
În teză a fost tratat teoretic aspectul referitor la zona de contact cu obiectul prehensat, considerată zona de maximă importanță în procesul de prindere, și s-a dezvoltat un concept inovativ de bacuri atașate de falange prin capsule sferice capabile să contacteze orice tip de suprafețe.
Au fost aduse completări clasificării prehensiunii – de putere și de precizie – și s-a dezvoltat o abordare nouă, proprie, a conceptului de proiectare optimală, abordare care a stat la baza proiectării și execuției standului de testare, incluzând sistemul senzorial, de acționare și control.
Pe parcursul cercetărilor, au fost concepute o serie de mecanisme antropomorfe de prehensiune noi cu două, trei, patru și cinci degete , iar soluția optimă, care a făcut obiectul experimentărilor practice, a fost determinată prin intermediul analizei multicriteriale.
Rezultatele teoretice au fost confirmate pe cale experimentală, subliniind astfel performanțele ridicate de prindere ce pot fi atinse chiar și cu mecanisme simple în condiții de control în forță a prehensiunii.
THEORETICAL AND EXPERIMENTAL RESEARCHES REGARDING THE ANTHROPOMOPHIC GRIPPING SYSTEMS WITH A REDUCED NUMBER OF FINGERS, DESIGNED FOR ROBOTS
Keywords: gripping system, linkages mechanisms, robot, anthropomorphicgripping
This PhD thesis describes the theoretical and experimental researches regarding the anthropomophic gripping systems with a reduced number of fingers, designed for robots. The critical analysis of the existing gripping mechanisms revealed the development potential of the two fingered gripping systems, based on simple mechanical structures, able to ensure a secure gripping of objects with complex surfaces.
The thesis theoretically addresses the issue regarding the contact area of the object to be gripped, this area being considered the most important within the gripping process, and presents the development of an innovative concept of clamping jaws attached to the phalanx by means of spherical capsules capable of contacting any type of surface.
The grasp taxonomy – both power and precision oriented – was enlarged, with a personal, new approach to the concept of optimal design. This approach was the basis for the design and execution of the test stand, including the sensory, actuation and control systems.
During research, a number of new anthropomorphic gripping systems – with two, three, four and five fingers – was designed, the optimum solution, which was the subject of practical experiment, being determined using the multi-criteria analysis.
The theoretical results were confirmed experimentally, highlighting the high gripping performances that can be achieved, even with simple mechanisms, in terms of force control of the gripping.
Curriculum Vitae
Curriculum Vitae
DECLARAȚIE
Subsemnații: ing Marian Bolboe
în calitate de
student – doctorand al IOSUD: Universitatea “Transilvania” din Brașov
autor al tezei de doctorat cu titlul: Cercetari teoretice si experimentale ale prehensoarelor antropomorfe cu numar redus de degete pentru roboti
și
Prof. univ. dr.ing. Petre Alexandru
în calitate de Conducător de doctorat al autorului tezei
la instituția Universitatea “Transilvania” din Brașov
declarăm pe proprie răspundere că am luat la cunoștință de prevederile art.143 alin (4) si (5)* și art. 170** din Legea educației naționale nr.1/2011 și ale art. 65, alin.5 – 7***, art. 66, alin (2)**** din Hotărârea Guvernului nr.681/2011 privind aprobarea Codului Studiilor universitare de doctorat și ne asumăm consecințele nerespectării acestora.
Semnătură Semnătură
Student doctorand Conducător de doctorat
((4 )indrumatorii lucrărilor de licență, de diplomă, de disertație, de doctorat răspund solidar cu autorii acestora de asigurarea originalității conținutului acestora
(5) este interzisă comercializarea de lucrări șptiințifice în vederea facilitării falsificării de către cumpărător a calității de autor al unei lucrări de licență, de diplomă, de disertație sau de doctorat.
** (1)În cazul nerespectării standardelor de calitate sau de etică profesională, Ministerul Educației, Cercetării, Tineretului și Sportului, pe baza unor rapoarte externe de evaluare, întocmite, după caz, de CNATDCU, de CNCS, de Consiliul de etică și management universitar sau de Consiliul Național de Etică a Cercetării Științifice, Dezvoltării Tehnologice și Inovării, poate lua următoarele măsuri, alternativ sau simultan:
C:\Users\camism\Documents and Settings\Caty\Sintact 2.0\cache\Legislatie\temp\00137318.HTM – #retragerea calității de conducător de doctorat;
C:\Users\camism\Documents and Settings\Caty\Sintact 2.0\cache\Legislatie\temp\00137318.HTM – #retragerea titlului de doctor;
C:\Users\camism\Documents and Settings\Caty\Sintact 2.0\cache\Legislatie\temp\00137318.HTM – #retragerea acreditării școlii doctorale, ceea ce implică retragerea dreptului școlii doctorale de a organiza concurs de admitere pentru selectarea de noi studenți-doctoranzi.
C:\Users\camism\Documents and Settings\Caty\Sintact 2.0\cache\Legislatie\temp\00137318.HTM – #(2)Reacreditarea școlii doctorale se poate obține după cel puțin 5 ani de la pierderea acestei calități, numai în urma reluării procesului de acreditare, conform art. 158.
C:\Users\camism\Documents and Settings\Caty\Sintact 2.0\cache\Legislatie\temp\00137318.HTM – #(3)Redobândirea calității de conducător de doctorat se poate obține după cel puțin 5 ani de la pierderea acestei calități, la propunerea IOSUD, pe baza unui raport de evaluare internă, ale cărui aprecieri sunt validate printr-o evaluare externă efectuată de CNATDCU. Rezultatele pozitive ale acestor proceduri sunt condiții necesare pentru aprobare din partea Ministerului Educației, Cercetării, Tineretului și Sportului.
C:\Users\camism\Documents and Settings\Caty\Sintact 2.0\cache\Legislatie\temp\00137318.HTM – #(4)Conducătorii de doctorat sunt evaluați o dată la 5 ani. Procedurile de evaluare sunt stabilite de Ministerul Educației, Cercetării, Tineretului și Sportului, la propunerea CNATDCU.
***(5) teza de doctorat este o lucrare originală, fiind obligatorie mentionarea sursei pentru orice material preluat.
(6) studentul – doctorand este autorul tezei de doctorat și își asumă corectitudinea datelor și informațiilor prezentate în teză, precum și a opiniilor și demonstrațiilor exprimate în teză
(7) conducătorul de doctorat răspunde împreună cu autorul tezei de respectarea standardelor de calitate sau de etica profesională, inclusiv de asigurarea originalității conținutului, conform art. 170 din Legea nr. 1/2011.
**** protecția drepturilor de proprietate intelectuală asupra tezei de doctorat se asigură în conformitate cu prevederile legii.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: CERCETĂRI TEORETICE ŞI EXPERIMENTALE ALE PREHENSOARELOR ANTROPOMORFE CU NUMĂR REDUS DE DEGETE PENTRU ROBOŢI [301432] (ID: 301432)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.