Cercetări Teoretice ȘI Experimentale ALE Prehensoarelor Antropomorfe

Ing. Marian BOLBOE

CERCETĂRI TEORETICE ȘI EXPERIMENTALE
ALE PREHENSOARELOR ANTROPOMORFE CU NUMĂR REDUS DE DEGETE PENTRU ROBOȚI

THEORETICAL AND EXPERIMENTAL RESEARCHES REGARDING THE ANTHROPOMOPHIC GRIPPING SYSTEMS WITH A REDUCED NUMBER OF FINGERS, DESIGNED FOR ROBOTS

-Rezumatul tezei de doctorat-

-Summary of the PhD Thesis-

Conducător științific:

Prof. univ. dr.ing. Petre ALEXANDRU

Brașov, 2013

D-nei/ lui

……………………………………………………………………………………………………….

COMPONENȚA

Comisiei de doctorat

Numită prin Ordinul Rectorului Universității Transilvania din Brașov,

Nr. 6049 din 27.09.2013

PREȘEDINTE Prof. univ. dr. ing. Olimpiu MUNTEANU

DECAN- Facultatea. de Design de Produs și Mediu

Universitatea „Transilvania” din Brașov

CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC Prof. univ. dr. ing. Petre ALEXANDRU

Universitatea „Transilvania” din Brașov

REFERENȚI STIINȚIFICI: Prof. univ. dr. ing. Virgil ATANASIU

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iași

Prof. univ. dr. ing. Ioan DOROFTEI

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iași

Prof. univ. dr. ing. Ionel STAREȚU

Universitatea „Transilvania” din Brașov

Data, ora și locul susținerii publice a tezei de doctorat: 22 noiembrie 2013, ora 10:00, Colina universității, sala: EII4 (Căsuța Solară)

EVENTUALELE APRECIERI ȘI OBSERVAȚII ASUPRA LUCRĂRII VĂ RUGĂM SĂ LE TRANSMITEȚI ÎN TIMP UTIL PE ADRESA UNIVERSITĂȚII TRANSILVANIA DIN BRASOV SAU PE ADRESELE DE MAIL

[anonimizat]; [anonimizat]

Totodată vă invităm să luați parte la susținerea publică a tezei de doctorat.

Vă mulțumim!

CUPRINS pg. teză / pg. rezumat

1. INTRODUCERE 5 / 5

1.1. Scurt istoric 5 / 5

1.2. Etape în dezvoltarea prehensiunii antropomorfe pentru roboți 8 / 6

1.3. Prezentarea structurii tezei 9 / 6

2. STADIUL ACTUAL AL CUNOAȘTERII ÎN DOMENIUL PREHENSIUNII

ANTROPOMORFE PENTRU ROBOTI 12 / 7

2.1. Considerații preliminare; noțiuni de bază 12 / 7

2.2. Nivelul actual al dezvoltării prehensiunii antropomorfe 13 / 7

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 / 8

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 / 8

2.4. Concluzii și obiective 35 / 9

3. PREHENSIUNEA; ELEMENTE DE TEORIE GENERALĂ 37 / 9

3.1. Prehensarea obiectului. Echilibrul static al obiectului 37 / 10

3.1.1. Modelarea contactului mecanic 37 / 10

3.1.2. Echilibrul obiectului – teorie generală 39 / –

3.1.3. Echilibrul unui sistem de corpuri solide 42 / –

3.1.4. Condițiile minime de prehensiune statică 43 / –

3.2. Elementul de legătură Prehensor- Obiect prehensat (bacul) 46 / 11

3.3. Prezentări sistematizate ale obiectului prehensat 50 / 12

3.4. Caracterizarea contactului bacuri – obiect prehensat 51 / 12

3.5. Numărul minim de bacuri elementare necesare pentru prehensiune 56 / 14

3.6. Concluzii 57 / 14

4. STUDIUL ECHILIBRULUI ȘI MIȘCĂRII LA PREHENSOARELE

ANTROPOMORFE CU BARE ARTICULATE 58 / 14

4.1. Variante constructive noi, propuse și proiectate 58 / 14

4.1.1. Prehensor cu 4 degete dispuse sub formă de clopot 58 / 14

4.1.2. Prehensor cu 3 degete înfășurătoare 59 / 15

4.1.3. Prehensor antropomorf cu 5 degete acționat pneumatic 61 / 17

4.1.4. Prehensor antropomorf cu două degete 62 / 17

4.2. Funcția de forță în mecanismele de acționare a falangelor 64 / 18

4.2.1. Forțe în mecanismul prehensorului “clopot” 64 / 18

4.2.2. Forțe în mecanismul prehensorului “degete înfășurătoare” 67 / –

4.3. Funcționalitatea cinematică a mecanismelor de prehensiune 71 / 19

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 / 19

4.4. Concluzii 102 / 25

5. DEZVOLTĂRI PRIVIND PARTICULARITĂȚILE CONSTRUCTIVE ALE

ELEMENTELOR DE CONTACT CU OBIECTUL PREHENSAT 103 / 25

5.1. Arhitectura mâinii omului 103 / 25

5.2. Taxonomia prehensiunii antropomorfe: scurt istoric și clasificare 107 / 26

5.3. Aspecte privind optimizarea subsistemului -bacuri 109 / 27

5.3.1. Contribuții și aspecte privind optimizarea contactului bac-obiect 110 / 27

5.3.2. Analiza zonei de contact cu obiectul prehensat 112 / 27

5.4. Concluzii 115 / 29

6. PROIECTAREA OPTIMALĂ-DESIGNUL CONCEPTUAL AL PREHENSORULUI

ANTROPOMORF 117 / 30

6.1. Proiectarea optimală: Concept și etape 117 / 30

6.2. Analiza metodelor de optimizare a proiectării prehensoarelor antropomorfe 121 / 30

6.2.1 Metode de optimizare 121 / 30

6.2.2 Variante de prehensoare și caracteristicile acestora 124 / 31

6.2.3 Analiza morfologică- ponderea criteriilor 128 / 32

6.3. Conceperea/ proiectarea unui prehensor antropomorf optim 132 / 33

6.3.1. Definirea prehensorului optim 132 / 33

6.3.2. Controlul prehensiunii 137 / 34

6.4. Schițarea prehensorului 141 / 35

6.4.1. Schema structurală a prehensorului 141 / 35

6.4.2. Proiectare 3D 143 / –

6.4.3. Verificarea închiderii prehensorului 147 / –

6.5. Concluzii 149 / 35

7. CONCEPEREA ȘI REALIZAREA STANDULUI DE ÎNCERCĂRI ȘI A

EXPERIMENTELOR 150 / 36

7.1. Componentele standului de testare 150 / 36

7.2. Descrierea funcționării standului 155 / 38

7.3. Calibrarea senzorilor 158/ 39

7.4. Validarea experimentală a rezultatelor teoretice 160 / 40

7.4.1. Verificarea posibilităților de prehensiune a suprafețelor complexe 160 / 40

7.4.2. Controlul în forță al prehensiunii 162 / 42

7.4.3. Validarea experimentală a deplasărilor în cuplele cinematice 165 / 44

7.4.4. Experimente privind forțele de prehensiune în raport cu forța motoare 167 / 44

7.5. Concluzii 169 / 46

8. EVALUAREA REZULTATELOR, FORMULAREA DE CONCLUZII ȘI

RECOMANDĂRI 171 / 47

8.1. Valorificare rezultate 171 / 47

8.2. Concluzii finale și contribuții proprii/originale 171 / 47

8.3. Diseminarea rezultatelor 173 / 49

8.3.1. Articole științifice publicate 174 / 49

8.3.2. Utilizarea cunoștințelor în mediul economic 175 / 49

8.4. Direcții viitoare de cercetare 176 / 49

9. BIBLIOGRAFIA 177 / 49

ANEXA1 (Rezumat – româna/ engleză) 191 / 52

ANEXA2 (Curriculum Vitae) 193 / 53

Summary Thesis / Summary

1. INTRODUCTION 5 / 5

1.1. Brief history 5 / 5

1.2. Stages in the development of gripping for anthropomorphic robots 8 / 6

1.3. Presentation of the thesis structure 9 / 6

2. CURRENT STATE OF KNOWLEDGE IN ANTHROPOMORPHIC PREHENSION 12 / 7

2.1. Preliminary considerations; basics 12 / 7

2.2. The current state of development of anthropomprphic prehension 13 / 7

2.2.0. General considerations 13 / –

2.2.1. Systematization of mechanical anthropomorphic prehensors for robots 15 / –

2.2.2. Structural and functional features of anthropomorphic prehensors for robots 22 / 8

a. Prehensors with two fingers 23 / –

b. Prehensors with three fingers 24 / –

c. Prehensors with four fingers 27 / –

d. Prehensors with five fingers 28 / –

e. Prehensors with six fingers 28 / –

2.3. Recent achievements in anthropomprphic prehension 29 / 8

2.4. Conclusions and objective 35 / 9

3. PREHENSION; ELEMENTS OF GENERAL THEORY 37 / 9

3.1. Object gripping. Static equilibrium of the object 37 / 10

3.1.1. Modelling the mechanical contact 37 / 10

3.1.2. Equilibrium of the object – general theory 39 / –

3.1.3. Equilibrium of a system of solid objects 42 / –

3.1.4. Minimun conditions for static prehension 43 / –

3.2. The connecting element Prehensor – prehensed object (the jaw) 46 / 11

3.3. Systematic presentation of the prehensed object 50 / 12

3.4. Characterisation of the contact jaws – prehensed object 51 / 12

3.5. Minimun number of elementary jaws needed for the prehension 56 / 14

3.6. Conclusions 57 / 14

4. STUDY OF BALANCE MOVEMENT FOR ANTHROPOMPRPHIC

PREHENSORS WITH ARTICULATED BARS 58 / 14

4.1. New design alternatives, proposed and designed 58 / 14

4.1.1. Prehensor with 4 fingers arranged in form of a bell 58 / 14

4.1.2. Prehensor with 3 wrapping fingers 59 / 15

4.1.3. Pneumatically operated anthropomorphic prehensor with 5 fingers 61 / 17

4.1.4. Anthropomorphic prehensor with two fingers 62 / 17

4.2. The force function in the the phalanges’ driving mechanisms 64 / 18

4.2.1. Forces in the mechanism of the “bell” prehensor 64 / 18

4.2.2. Forces in the mechanism of the “wrapping fingers” prehensor 67 / –

4.3. Cynematic functionality of the gripping mechanisms 71 / 19

4.3.1. Gripping mechanism with antiparalelogram 71 / –

a. Calculation of the gear transmission function 73 / –

b. Calculation of the transmission of accelerations function 73 / –

4.3.2. Gripping mechanism with intermediate coulisse 79 / –

4.3.3. Gripping mechanism with six independent fingers 84 / –

4.3.4. Gripping mechanism with three wrapping fingers 86 / –

4.3.5. Gripping mechanism with two fingers 94 / 19

4.4. Conclusions 102 / 25

5. DEVELOPMENTS REGARDING CONSTRUCTIVE PARTICULARITIES OF THE

CONTACT ELEMENTS WITH THE GRIPPED OBJECT 103 / 25

5.1. Architecture of the human hand 103 / 25

5.2. Taxonomy of anthropomorph prehension: short history and classification 107 / 26

5.3. Aspects regarding the optimization of the jaws – subsistem 109 / 27

5.3.1. Contributions and aspects regarding the optimization of the jaw –

object contact 110 / 27

5.3.2. Analysis on the contact area to the prehensed object 112 / 27

5.4. Conclusions 115 / 29

6. OPTIMAL DESIGN – CONCEPTUAL DESIGN OF THE ANTHROPOMORPHIC

PREHENSOR 117 / 30

6.1. Optimal design: Concept and stages 117 / 30

6.2. Analysis of optimization methods regarding the design of anthropomprphic

prehensors 121 / 30

6.2.1 Optimization methods 121 / 30

6.2.2 Variants of prehensors and their characteristics 124 / 31

6.2.3 Morphological Analysis – weighting of criteria 128 / 32

6.3. Conception / design of the optimal anthropomorphic prehensor 132 / 33

6.3.1. Definition of the optimal prehensor 132 / 33

6.3.2. Gripping control 137 / 34

6.4. Sketching the prehensor 141 / 35

6.4.1. Structural scheme of the prehensor 141 / 35

6.4.2. 3D design 143 / –

6.4.3. Checking the closing of the prehensor 147 / –

6.5. Conclusions 149 / 35

7. DESIGN REALISATION OF THE TEST BENCH CONDUCTING THE

EXPERIMENTS 150 / 36

7.1. Components of the test bench 150 / 36

7.2. Test bench – description of the functioning 155 / 38

7.3. Calibration of sensors 158/ 39

7.4. Experimental validation of the theoretical results 160 / 40

7.4.1. Checking the gripping possibilities of complex surfaces 160 / 40

7.4.2. Force control of the gripping 162 / 42

7.4.3. Experimental validation of kinematic couplings movements 164 / 44

7.4.4. Experiments on the gripping forces in relation to the driving force 167 / 44

7.5. Conclusions 169 / 46

8. EVALUATION OF RESULTS, CONCLUSIONS RECOMMENDATIONS 171 / 47

8.1. Evaluation of results 171 / 47

8.2. Final conclusions and personal /original contributions 171 / 47

8.3. Dissemination of results 173 / 49

8.3.1. Scientific articles published by the author 174 / 49

8.3.2. The use of knowledge in the economic environment 175 / 49

8.4. Future research directions 176 / 49

9. BIBLIOGRAPHY 177 / 49

ANNEX 1 (Résumé – romanian/ english) 191 / 52

ANNEX 2 (Curriculum Vitae) 193 / 53

Cuvânt înainte,

În primul rând doresc să-mi exprim profunda recunoștință îndrumătorului științific, Domnului Profesor Petre Alexandru. 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.

Mulțumiri întregului colectiv al Departamentului Design de Produs, Mecatronică și Mediu și colegilor Cristina Stăncescu, Monica Enescu, Adrian Buta și Dan Țiganea pentru comentariile valoroase care au contribuit la rezolvarea problemelor tehnice.

Nu în ultimul rând, aș dori să mulțumesc familiei pentru implicarea sufletească și prietenilor care m-au susținut și au crezut în pasiunea mea.

INTRODUCERE

1.1. Scurt istoric

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

1.2. Etape în dezvoltarea prehensiunii antropomorfe pentru roboți

Studiile ce vizează prehensiunea antropomorfă pentru roboți au început în secolul XX, când a apărul și conceptul de ROBOT (concept inventat de Karel Čapek în piesa de teatru “Rossum's Universal Robots”). Prehensiunea antropomorfă a cunoscut o dezvoltare importantă odată cu inventarea microprocesorului în anii 70 ai secolului trecut, iar prehensiunea a putut fi controlată cu ajutorul senzorilor și traductoarelor atașate degetelor.

Utilizarea pe scară largă a PC-urilor, a condus la apariția și utilizarea softurilor CAD în proiectarea, simularea virtuală a funcționării și testarea prehensoarelor.

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 din prezent.

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, 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

2.1. Considerații preliminare; noțiuni de bază

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 (figura alăturată).

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.

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 și mecanisme antropomorfe pentru protezarea mâinii umane.

2.2. Nivelul actual al dezvoltării prehensiunii antropomorfe

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.

Sunt cunoscute până în prezent prehensoare antropomorfe cu două, trei, patru, cinci și șase degete.

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.

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.

2.3. Realizări recente în domeniul prehensiunii antropomorfe

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.

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 .

2.4. Concluzii și obiective

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.

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

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 .

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:

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:

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 vor fi 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

În tabelul 3.2. sunt prezentate variantele geometrice pentru bacurile elementare.

Tabelul 3.2.-Variante geometrice ale bacurilor elementare

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 .

Tabelul 3.6. – Forme geometrice ale obiectelor prehensate

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. 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.

Tabelul 3.7.- Contactul bacuri-Obiect (exemple)

3.5. Numărul minim de bacuri elementare necesare pentru prehensiune

In funcție de forma bacului, poziționarea față de obiect și forma obiectului prehensat, există situații când cele șapte forțe de contact (dintre care șase să fie independente), nu sunt asigurate, asa cum este exemplificat în tabelul 3.7(utilizarea a două bacuri elementare).

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.

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.

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.

Prehensorul are două degete, identice, asemanatoare degetelor mâinii umane. Ca și dispunere spațială, degetele, având două falange fiecare, sunt dispuse în același plan. 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).

4.3. Funcționalitatea cinematică a mecanismelor de prehensiune

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.

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.

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.

DEZVOLTĂRI PRIVIND PARTICULARITĂȚILE CONSTRUCTIVE ALE ELEMENTELOR DE CONTACT CU OBIECTUL PREHENSAT.

5.1. Arhitectura mâinii omului

Posibilitățile multiple de prehensare ale mâinii umane își au originea în complexitatea sistemului mecanic (oasele), de acționare (tendoane + mușchi) și senzorial.

Performanțele mainii sunt prezentate în figurile 5.3. și 5.4.

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°;

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°.

5.2. Taxonomia prehensiunii antropomorfe: scurt istoric și clasificare

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). Față de clasificarea prezentată, am identificat 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) (figura 5.6).

Figura 5.6. – Taxonomia prehensiunii – optimizată de autor după clasificarea Cutkosky și Wright

5.3. Aspecte privind optimizarea subsistemului – bacuri

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, așa cum se poate observa în figura 5.8., prehensiunea antropomorfă se poate realiza utilizând doar două degete.

Figura 5.8. – Prehensiunea cu două degete

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.

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

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 bază– 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 (capsulă sferică), ce permite contactarea suprafețelor complexe, iar în interiorul acestui bac se pot monta senzori de presiune pentru controlul în forță al strângerii;

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 “geometrico-matematice”, cât și pe cele moderne prin implicarea computerului și a soft-urilor specializate de proiectare.

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.

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.

6.2. Analiza metodelor de optimizare a proiectarii prehensoarelor antropomorfe

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.

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 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 optimiza o structură mecanică de prehensiune, vom analiza înâi variante constructive existente conform tabelului de sistematizare 6.1., analizate conform criteriilor:

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

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.

Fiecare variantă a fost analizată în raport cu fiecare criteriu (dacă indeplinește sau nu criteriul). Nicio variantă constructivă nu a indeplinit toate criteriile. Se impune astfel crearea unei variante de prehensor optima (hibrid intre variantele cu cele mai multe criterii îndeplinite).

Analiza multicriterială continuă cu determinarea importanței criteriilor (coeficientul ) care ține cont de criteriile surclasate.

Ca și rezultat

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.

Fiecare variantă dintre cele mai bune 7 clasate sunt evaluate (subiectiv), prin acordare de note de la zero la zece în funcție de cat de mult se îndeplinește un criteriu.

Pentru determinarea prehensorului optim e aplică relația:

(6.2.)

și se selectează cele mai bune 3 variante

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.

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.

6.3. Conceperea/proiectarea unui prehensor antropomorf optim

6.3.1. Definirea prehensorului optim

Posibilități de prehensare a obiectelor cu suprafețe complexe

Mâna poate 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

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 (fara componentă senzorială).

Prehensoarele „controlate” (prin sistem senzorial) care realizează prinderea funcție de forțele de prehensiune setate.

Sistemul de control este format din senzori de presiune tip CZN-CP15 și un convertor de semnal tip IM36-22Ex-U

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.

Transmiterea mișcării de la motor la sistemul de prehensiune se face printr-un sistem tip șurub piuliță (șurub 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

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 .

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 6.14.).

Figura 6.14. –Schița finală a prehensorului

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.

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,

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),

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

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 standul și prehensorul antropomorf cu număr redus de degete pentru roboți.

În figurile 7.3. și 7.4. sunt prezentate două fotografii ale standului realizat în baza proiectului.

Standul are în componență următoarele elemente (figura 7.2.):

1. prehensor antropomorf cu două degete, , este compus din 61 elemente constitutive grupate în 26 tipuri diferite (inclusiv cele 4 + 1 capsule sferice atașate degetelor

2. sistem de transmitere a mișcării de tip șurub – piuliță, ce face legătura între elementul motor și prehensor;

3. 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;

4. suporți de susținere, pentru elementul motor și sistemul de transmitere, fixați pe placa de bază;

5. sistem de comandă și control;

6. placa de bază, pe care se află montate toate componentele standului.

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).

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.

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.

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.

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.

7.3. Calibrarea senzorilor

Înainte de efectuarea testelor, pentru asigurarea acurateții datelor, senzorii se vor calibra, validându-se astfel caracteristicile înscrise în documentația tehnică.

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. – Dependența tensiunii 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).

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.).

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 7.15. – 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.

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 ieșire aferente 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. – Variația forței de prehensiune în raport cu forța de acționare

7.5. Concluzii

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 graf 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.

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:

proiectarea (realizarea documentației complete – desene de execuție) pentru două prehensoare antropomorfe cu acționare pneumatică, utilizate ca și material de studiu;

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 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.

De asemenea, se remarcă optimizările aduse subsistemelor senzoriale atașate prin utilizarea unor bacuri speciale (care sunt și suport pentru senzori).

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

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 și una ca unic autor;

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.

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 SELECTIVĂ

Cercetări teoretice și experimentale ale prehensoarelor antropomorfe cu număr redus de degete pentru roboți

Theoretical and experimental researches regarding the anthropomophic gripping systems with a reduced number of fingers, designed for robots

Doctorand: ing. Marian BOLBOE, Conducător: Prof. 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.

ABSTRACT

Keywords: gripping system, linkages mechanisms, robot, anthropomorphic gripping

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