Prehensoare mecanice reconfigurabile cu trei şi patru degete pentru roboţi (II)

Prehensoarele sunt sisteme mecatronice complexe utilizate de roboţi, cu precădere de roboţii industriali, pentru realizarea operaţiilor de prehensiune-prindere a pieselor în vederea manipulării-transferului dintr-o poziţie iniţială într-o poziţie finală necesară în cadrul unei acţiuni, respectiv, a unui proces tehnologic robotizat.

2.3. Prehensoare modulare cu reconfigurabilitate discontinuă

2.3.1. Proiectarea constructivă

Proiectarea constructivă se face pe baza dimen­siunilor liniare și unghiulare calculate în funcție de forțele exterioare și de forțele din cuple. Forțele care solicită elementele constructive se determină inclusiv în funcție de forțele de prehensiune impuse și de forțele motoare necesare. Forțele motoare externe se determină cu teorema echilibrului puterilor de intrare și ieșire, în ipoteza neglijării frecării: νi ∙Fi + νPi ∙FPi = 0, din care rezultă forța motoare care acționează fiecare deget i = 1.2.3:

Forțele interne din cuple se determină folosind axioma ruperii legăturilor și introducerea forțelor de legătură, după care se scriu ecuațiile de echilibru static ale fiecărui element [1,2].

În funcție de forțele care solicită elementele constructive, se calculează dimensiunile secțiunilor constructive ale elementelor, pe baza calculului de rezistență corespunzător [1,2].

Folosind dimensiunile constructive se obțin modelele 3D ale modulelor principale ale prehenso­rului: al platformei (palmei), figura 6a și al degetului (figura 6b).

Cu aceste module constructive se pot obține vari­antele prehensorului reconfigurabil cu trei degete.

În figura 7, sunt arătate cele 4 variante semnifica­tive care se pot obține pentru prehensorul antropomorf reconfigurabil cu trei degete, conform fig. 2 (nr. trecut).

Pentru verificarea funcționării corecte se face simularea închiderii prehensorului (figura 8) și simularea prehensiunii unei piese (figura 9).

 2.3.2. Analiza dinamică

Pentru a simula prehensiunea în condiții dinamice s-a utilizat software-ul ADAMS. S-a impus o forță de prehensiune și s-a simulat mișcarea degetelor până la contactul cu piesa și continuarea prehensiunii până la atingerea forței de prehensiune impuse. În figura 10 sunt arătate două faze ale pre­hensiunii dinamice: faza inițială și faza finală după contactarea piesei și oprirea degetelor la atingerea forței de prehensiune impuse.

În figura 11, sunt arătate graficele de variație a deplasării degetelor și de variație a forței de pre­hensiune până la atingerea forței de prehensiune impuse.

2.3.3. Prototipul - funcţionare şi testare

Pe baza documentației tehnice întocmite con­form normelor tehnice în vigoare, a fost realizat un prototip al prehensorului analizat în această lucrare (figura 12a). În figura 12b, ca o primă formă de experimentare și testare funcțională, este exemplifi­cată prehensarea cu acest prototip a unui corp sferic. Principalele caracteristici tehnice ale acestui prototip sunt: gradul de mobilitate: M = 3; greutate: 12 N; sarcină utilă: 40 N; forța de prindere: ~ 30 N / deget; dimensiuni: deget: 1:1 față de degetele mâinii umane și palma: 140x140x100 mm.

 FIGURA 12. Prototipul prehen­sorului antropomorf modular reconfigurabil cu trei degete

Pentru acționare se folosesc motoare liniare pneumatice. Prototipul poate fi echipat cu senzori de contact (de exemplu de tip CZN-CP15), iar comanda și controlul se pot asigura printr-un echipament adecvat.

După echiparea corespunzătoare, prototipul, prin intermediul unei piese de legătură corespunzătoare, poate fi montat pe un robot industrial și va fi testat corespunzător la operații variate de prehensiune, implicit manipulare. Într-o primă etapă, testarea se va face în mediu CAD (incluzând și faza de pre­hensare), testare realizată într-o etapă preliminară, fără obiectul de prehensat (figura 13), după care simularea funcțională se va face în mediu virtual (de exemplu VRML - figura 14), cu scopul stabilirii datelor prehensării virtuale corecte și transmiterii acestora prehensorului real-prototipului [4].

FIGURA 13. Model CAD cu robot echipat cu prehensorul proiectat

2.4. Prehensoare modulare cu reconfigurabilitate continuă medie

2.4.1. Proiectarea constructivă

În acest caz, proiectarea constructivă s-a bazat pe dimensiunile liniare și unghiulare rezultate din calculele de rezistență, care s-au făcut ținând cont de forțelor externe și de forțele din cuple. În plus, s-a căutat o soluție care să permită deplasarea degetelor laterale cu unghiul maxim posibil, pentru care s-a inclus un mecanism suplimentar. A fost necesară și modificarea platformei, care este arătată în figura 15, degetul având aceeași formă.

FIGURA 14. Modelul CAD al robotului transferat în mediul virtual VRML

FIGURA 15. Platforma pentru prehensorul cu reconfigurabilitate continuă

În figura 16 este arătat ansamblul prehensoru­lui în care se observă și mecanismul de deplasare a degetelor (figura 16b).

FIGURA 16. Prehensorul cu reconfigurabilitate continuă medie

2.4.2. Simularea funcţională

Simularea funcțională s-a făcut pentru a arăta reconfigurabilitatea prin deplasarea degetelor din poziția inițială în poziția finală (figura 17) și pentru a arăta posibilitatea prehensării pentru diverse pozi- ții relative ale degetelor (figura 18).

FIGURA 17. Configurațiile limită ale prehensorului cu reconfigurabilitate continuă medie

3. Familie de prehensoare antropomorfe cu patru degete

3.1. Sinteza structurală şi cineto-statică

La prehensorul cu patru degete există cinci vari­ante de dispunere relativă a degetelor (figura 19).

Sinteza cinematică și statică se face similar ca în cazul precedent.

3.2. Proiectarea constructivă

Pentru obținerea acestor variante se folosește o platformă specifică (figura 20) și același deget cu trei falange (figura 6b).

Variantele CAD ale acestor cinci variante sunt arătate în figura 21, iar în figura 22, simularea funcțională cu o piesă prehensată.

Folosind aceleași module, cu modificări minime ale modulului platformei, se pot obține variantele de prehensoare antropomorfe cu două degete, cu cinci degete și chiar cu șase degete.

 Bibliografie

1. Daj I., Starețu I., Mecanisme și Organe de Mașini, Ed. Lux Libris, Brașov, 2000.

2. Staretu I., Neagoe M., Albu, N., Mâini mecanice. Mecanisme antropo­morfe de prehensiune pentru protezare și roboți, Ed. Lux Libris, Brașov, 2001

3. Stareţu I., Sisteme de prehensiune, Ed. Lux Libris, Braşov, 1996(Ediția I), 2010(Ediția a II-a).

4. Staretu I., Gripping Systems, Derc Publishing House, Tewksbury, Massachusetts, U.S.A., 2011.

English summary

In this paper two anthropomorphic modular reconfigurable grippers for robots are described, including a prototype. There are two main constructive modules: the support – the palm and the finger. For the first time the stages of synthesis, analysis design and functional simu­lation are presented. The structural synthesis of the anthropomorphic grippers for robots can be made regarding the following main criteria: the number of fingers, the number of phalanxes, the relative dimen­sions of the phalanxes, the relative position of the fingers, the degree of freedom of the gripping mechanism and the characteristic con­structive elements used. The kinematic synthesis is used to obtain a correct closing of the finger and of the gripping mechanism. The static synthesis solves the problem to obtaining the necessary gripping force on each finger and the total gripping force. With the constructive dimensions a 3D model can be obtained using CATIA software. Some aspects regarding functional CAD and virtual simulations are shown too. For one variant of this type of gripper, with three fingers, the tech­nical documentation is completed and the technical project has all the conditions for practical achievement and a prototype was made. Main technical characteristics of the prototype are indicated.