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

Prehensoarele sunt dispozitive mecatronice atașate roboților pentru a prinde și manipula obiecte. Prehensoarele mecanice au ca bază constructivă un mecanism de prehensiune. 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.

 1. Introducere

În funcție de natura forței de prehensiune princi­palele categorii de sisteme de prehensiune sunt: sis­temele mecanice, sistemele cu vacuum și sistemele magnetice. Sistemele mecanice de prehensiune sunt cunoscute și ca sisteme bilaterale întrucât condiția de realizare a prehensiunii este aplicarea a cel puțin două forțe, cu sensuri opuse, de contact cu piesa pre­hensată. Sistemele de prehensiune cu vacuum și cele magnetice sunt cunoscute și ca sisteme de prehen­siune unilaterale deoarece realizează prehensiunea cu o singură suprafață activă care intră în contact cu piesa prehensată.

Sistemele mecanice de prehensiune au ca parte principală o structură mecanică, un mecanism, care asigură poziționarea elementelor de contactare a pie­sei față de aceasta și dezvoltarea forței de contact – de prehensiune necesară. În funcție de particularită- țile constructive ale structurii mecanice, există trei tipuri principale de prehensoare mecanice: cu bacuri, cu degete (antropomorfe) sau tentaculare [3,4].

În prezent la roboții industriali se folosesc cu precădere prehensoarele mecanice cu bacuri, însă tendința este de introducere din ce în ce mai mult a prehensoarelor antropomorfe (figura 1), pe măsura trecerii de la activitățile de prehensiune a pieselor de forme simple, la prehensiunea și micromanipularea pieselor de formă complexă [3].

 FIGURA 1. Exemplu de prehensor antropo­morf cu trei degete

Prehensoarele antropomorfe cu degete pot avea două, trei, patru, cinci sau chiar șase degete articu­late, cu câte două sau trei falange.

În lucrare sunt prezentate o categorie-clasă de prehensoare antropomorfe cu degete articulate, și anume prehensoarele mecanice antropomorfe reconfigurabile cu trei și patru degete, propuse de autor.

Din perspectiva modularizării această clasă are la bază o variantă generală, care poate avea un număr variabil de degete, de la 2 la 6, dar și posibilitatea de a realiza un prehensor într-o gamă largă de tipodimensiuni, de la variante de dimensiuni reduse (0,75; 0,5; 0,25 etc. față de mâna umană),până la variante mai mari (1,5; 2; 2,5 etc. față de mâna umană), în acest fel putând fi manipulată o gamă largă de mase (de la câteva grame până la câteva kilograme sau chiar zeci de kilograme).

Posibilitatea de a fi reconfigurabil se referă la folosirea unei platforme pe care degetele (trei sau mai multe) pot avea mai multe poziții relative care se pot obține discontinuu, doar prin demontare și montare în altă locație, sau continuu limitată, cu ajutorul unui motor suplimentar, fără ca platforma să fie demontată de pe brațul robotului. În acest fel, un astfel de prehensor, la un preț relativ redus, poate înlocui mai multe prehensoare distincte sau poate acoperi un procent important, chiar până la 60% din gradul de utilitate al unui prehensor cu reconfigu­rabilitate continuă amplă, caz în care este asigurată și eficiența economică (la un preț general de 20%, sau chiar mai mic, utilitatea poate ajunge până la 50% sau chiar la 70%).

În această lucrare pentru două variante din această clasă de prehensoare antropomorfe și anume pentru un prehensor cu trei degete și unul cu patru degete sunt prezentate principalele particu­larități teoretice și constructive, inclusiv este descris un prototip.

Evident că toate considerațiile prezentate pot fi extrapolate la variantele cu mai puține degete, respectiv, două, sau la mai multe degete: cinci sau șase.

 2. Familie de prehensoare antropomorfe cu trei degete

2.1. Sinteza şi analiza structurală

Într-o primă etapă, prin sinteza structurală se stabilesc configurațiile posibile ale degetelor și structura degetului, respectiv tipul mecanismului de acționare și numărul falangelor, respectiv numărul de mecanisme înseriate.

Privind configurațiile posibile se consideră că semnificative sunt patru conform figurii 2, care se pot obține prin montarea adecvată a celor trei degete pe aceeași platformă.

 FIGURA 2. Configurațiile semnificative a trei degete

În legătură cu structura unui deget, acesta poate avea două sau trei falange (figura 3), posibilități din care s-a optat pentru varianta cu trei falange, pentru un grad de utilitate mai mare (figura 3b).

 FIGURA 3. Degete cu două falange(a) și cu trei falange(b)

Există și posibilitatea folosirii a patru falange, sau chiar cinci, care însă trebuie justificate temeinic, prețurile fiind evident mai mari.

La aceste prehensoare mecanice, degetul (figura 4) este format prin înserierea mai multor mecanisme cu bare articulate, de regulă mecanisme antipara­lelogram, în funcție de numărul falangelor (două sau trei)[2,3].

În etapa următoare se face o analiză structurală pentru a verifica dacă mecanismul este determinat funcțional (se calculează gradul de mobilitate, se identifică parametrii independenți cinematici și statici și funcțiile de trans­mitere ale mișcărilor exterioare, respectiv, ale forțelor exterioare). Pentru mecanismul din figura 4, gradul de mobilitate pentru fiecare mecanism monocontur se obține cu formula ș1,2ț: Mk = Σƒi-χk (în care Σƒi este gradul de mobilitate al cuplelor componente - ƒi = 1 și χk = 3 este rangul cinematic al mecanismului monocontur: k=1,2,3).

Deci, M1 = fA + fB + fC + fD – χ1 = 1+1+1+1-3=1, M2 = fD + fE + fF + fG - χ2 =1+1+1+1-3=1, M3 = fL+ fM + fN + fE – χ3 =1+1+1+1-3 =1. Pentru mecanismul policontur al degetelui, gradul de mobilitate este obținut cu formula: M = ΣMk-Σƒc (unde Mk este gradul de mobilitate pentru monoconturul k și Σƒc este gradul de mobilitate al cuplelor comune Σƒc = fD + fE =1+1=2). Deci, M = M1 + M2 + M3 - Σƒc = 1+1+1-2=1.

M=1 reprezintă o mișcare independentă (viteză independentă): ν1 = • s1 și o funcție de transmitere a forței exterioare: Fm = Fm(M7).

L-M=1 semnifică o funcție de transmitere a unei mișcări exterioare ϕ7 = ϕ7(s1) sau w7 = w7(ν1) și un moment independent și: M7 (generat de forța de prehensiune FP1).

 2.2. Sinteza şi analiza cineto-statică

Sinteza cinematică presupune adoptarea dimensiunilor liniare și unghiulare necesare închide­rii corecte a prehensorului și mișcărilor relative corecte ale degetelor, pentru prehensarea grupei de piese impuse.

Analiza cinematică se face folosind metoda conturului vectorial închis, aplicată succesiv în con­tururile vectoriale corespunzătoare mecanismelor monocontur evidențiate în figura 5. Pentru con­turul ABCD (figura 5a), ecuația vectorială este: AB+BC+CD+DA=0, iar în scriere matriceală, scalarii vectorilor au forma:

 iar sistemul scalar corespunzător are forma:

 FIGURA 5. Contururile vectoriale

Din acest sistem se obține funcția de poziții ϕ31 = ϕ31 (s1).

Conform figurii 5b, ecuația de închidere pentru conturul vectorial al mecanismului DEFG este:

din care se obține funcția de transmitere a pozi- țiilor ϕ41 = ϕ41 (ϕ31, s1).

 În scriere matriceală, scalarii vectorilor au forma:

 iar sistemul scalar corespunzător este:

Având în vedere faptul că ϕ32 este o funcție de ϕ31 și de s1 se poate determina ϕ41.

Conform figurii 5c, ecuația de închidere pentru conturul vectorial al mecanismului ENML este:

 În scriere matriceală, scalarii vectorilor au forma:

 iar sistemul scalar corespunzător este:

Prin rezolvarea sistemului (8) se obține funcția de transmitere a pozițiilor pentru elementul 7:

ϕ71 = ϕ71(s1).

Pe baza calculelor de rezistență, dimensiunile pie­selor fiind calculate în ipoteza unei forțe de prehensi­une totale de 8-10 daN, s-a trecut la proiec­tarea constructivă. (continuare în numărul următor)