Prezentare generală a mâinilor mecanice Introducere Dispozitivele de apucare (DA) reprezintă veriga finală din alcătuirea unui robot industrial, a manipulatoarelor şi a altor dispozitive automate, realizând ca funcţie principală apucarea (prinderea) obiectului de lucru (OL), menţinerea acestuia fără pierderea orientării relative în timpul transportului şi desprinderea la sfârşitul ciclului. După modul în care acţionează asupra obiectului, dispozitivele de apucare pot fi cu cleşte, cu degete, cu vid, cu elemente elastice şi electromagnetice. În raport cu tipul şi dimensiunile obiectelor de lucru aceste dispozitive sunt speciale (utilizate pentru obiecte de aceeaşi formă şi mărime), specializate (pentru obiecte de aceeaşi formă şi dimensiuni diferite), universale (pentru obiecte de formă şi dimensiuni diferite, ce variază într-un câmp limitat) şi flexibile (folosite pentru obiecte având formă şi dimensiuni diferite). Toate aceste variante pot fi prevăzute cu senzori de forţă. Funcţiile şi cerinţele impuse DA vor conduce la o construcţie ce va trebui adaptată OL, cât şi tipului şi destinaţiei concrete impuse de RI. Obiectele de lucru pot fi semifabricate, piese şi subansamble, scule de uz general în cazul manipulatoarelor din „camerele fierbinţi“ din uzinele nucleare, scule de aşchiere în cazul centrelor de prelucrare, alte obiecte şi subansamble specifice RI. Funcţia de prindere este, în general, asigurată prin efect mecanic, fiind însă utilizate şi DA cu prindere cu vacuum, cu magneţi sau electromagneţi. DA mecanice, la care forţa de strângere este aplicată OL cu ajutorul unor degete, denumite şi Mâini Mecanice (MM), se bucură de cea mai largă răspândire, date fiind avantajele pe care le prezintă: siguranţa, buna centrare, posibilitatea manipulării sarcinilor mari, funcţionarea în medii agresive. Forma, dimensiunile şi masa OL, cât şi proprietăţile sale mecanice determină, de asemenea, construcţia DA. În ceea ce priveşte forma OL, cele mai răspândite sunt piesele cilindrice (cazul nostru) şi cele prismatice, deşi se pot ivi aplicaţii din cele mai diferite, cum ar fi, de exemplu DA utilizat pentru asamblarea lanţurilor. Prinderea prin efect mecanic se asigură în marea majoritate a cazurilor prin formă şi forţă (forţe de strângere şi frecare), prinderea numai prin formă (de exemplu cu ajutorul cârligelor), nefiind specifică RI. Forţa de strângere este realizată prin dispozitivul propriu de acţionare al DA, situaţiile în care strângerea provine din greutatea proprie a OL sunt, de asemenea nespecifice RI. DA mecanice, la care forţa de strângere este aplicată OL cu ajutorul unor degete, denumite şi mâini mecanice (MM), se bucură de cea mai largă răspândire, dat fiind avantajele ce le prezintă: siguranţă, bună centrare, posibilitatea manipulării sarcinilor mari, funcţionarea în medii agresive. Cele mai răspândite MM de uz general sunt construcţii cu două degete, fiind însă utilizate şi MM cu trei degete, în cazul unor cerinţe strânse privind precizia prinderii sau a manipulării sarcinilor mari. Asigurarea flexibilităţii MM, la diferite dimensiuni şi forme ale OL, se poate face prin reglarea bacurilor sau schimbarea lor, existând şi posibilitatea utilizării unor bacuri cu suprafaţă de prindere adaptabilă formei OL. Un înalt grad de flexibilitate se poate obţine prin utilizarea MM la care degetele rigide portbac sunt înlocuite cu degete deformabile executate din elemente elastice sau din segmente articulate.
Mecanisme utilizate în structura mâinii mecanice MM Prinderea OL în DA se face prin mişcare sincronă, corelată, a doua sau trei degete port-bac, în acest fel realizându-se atât centrarea OL faţă de DA cât şi preluarea forţelor transversale. Asigurarea mişcării sincrone a degetelor se obţine prin folosirea unui motor liniar şi realizarea de structuri cinematice identice pentru mişcarea degetelor (braţelor). Mecanismele folosite în construcţia DA şi care folosesc, în general patru elemente, pot fi grupate în patru mari categorii: 1. cu patru cuple de rotaţie; 2. cu două cuple de translaţie dispuse la elementele diferite; 3. cu o singură cuplă de translaţie; 4. cu două cuple de translaţie aşezate pe acelaşi element; Acţionarea mâinilor mecanice MM Criteriul reducerii gabaritului şi al greutăţii DA face ca natura şi tipul acţionării să fie, în general independent de acţionarea celorlalte unităţi ale robotului industrial. Acţionarea pneumatică este cea mai folosită pentru RI cu acţionarea principală pneumatică sau electrică. Acţionarea pneumatică şi în special cea cu cilindru, este preferată în aceste cazuri, datorită simplităţii, preţului relativ scăzut, vitezei mari de lucru, precum şi a unui raport forţă-masă proprie mai bun ca al acţionării electrice. Folosirea unui cilindru cu dublu efect, deşi mai scump faţă de unul cu simplu efect, atât în ceea ce priveşte construcţia, cât şi comanda, se pretează atunci când sunt necesare curse lungi, constanţa forţei pe cursă sau limitarea dimensiunii axiale. Acţionarea hidraulică se întâlneşte numai când şi RI este acţionat hidraulic, astfel încât preţul de cost nu justifică introducerea sa, cu toate că cilindrul hidraulic de acţionare asigură un gabarit redus. Acţionarea electrică se întâlneşte mai rar decât cea pneumatică datorită dezavantajului prezenţei regulatoarelor de turaţie, care, împreună cu motorul electric, conduce la mase proprii relativ mari.
Evolutia mainilor mecanice Exemple Timp de secole oamenii şi-au folosit corpul şi în special mâinile ca inspiraţie şi model pentru creaţiile inginereşti. Dar copierea mainii umane nu este asa de simpla pe cat pare, structura musculară si scheletica a maini oferă un echilibru unic si greu de egalat, mana este stabilă si precisă dar in acelaşi timp rapidă şi flexibila. In ciuda complexitatii problemei, multi proiectanti de roboti au apelat la nenumarate inovatii din diverse discipline aducandu-ne tot mai aproape de mana complet automatizata. considerata a fi prima mana robotizata funcţională, Handyman, dezvoltată în 1960 de către Ralph Mosher pentru General Electric. Aceasta mana era o gheară cu doua degete, robust articulată, dar aceasta a asezat fundatia pentru urmatoarele incercari. Designul abordat pare rudimentar acum insa segmentele cu 5 grade de liberatate ale degetelor ce încearcă sa imite degetele umane rămîn în continuare o mare inovatie. mana umana este alcatuita dintr-un set de legături rigide (oase, muschi) conecate prin articulatii. fiecare articulatie are un grad de libertate (rotaţie sau translaţie) sau doua (rotative sau cilindrice) . avem patru grade de libertate în fiecare deget ceea ce ne da o mare flexibilitate si abilitatea de a executa mişcări complicate. Degetele lui Handyman aveau trei grade de libertate insa antebratul sau mecanic oferea cea mai importanta miscare a maini in timp ce "tendoane" mecanice trageau si impingeau degetele. Posibilitatile mainii Handyman erau limitate, mana nu putea decat sa apuce si sa ciupeasca dar nu avea nici o informatie despre ceea ce a apucat, putea sa apuce fara nici o discriminare orice era in jurul sau.
Mana mecanică a universităţii din Utha si MIT
Construită pentru a masura timpii de reacţie ai musculaturii robotice, mană mecanică construită de Utha/MIT în 1980 este un sistem cu antebrat bazată pe tendoane. sistemul de tendoane era precis deoarece avea senzori în fiecare încheietură ce dădea informatii despre unghiul făcut de fiecare incheietura precum si tensiunea din strangere. In plus tendoanele erau puternice si permiteau o viteza foarte mare precum si o forţă destul de mare, cele aproximativ 3 kilograme forţă de strîngere în vîrful fiecarui deget era un record la acea vreme. Puterea insa a sacrificat controlul si raza de actiune a intregii maini, ca sa muti aceasta mana trebuia sa pui la punct un sistem pentru a muta cei 288 de scripeti.
Robotul Nasa Omni-hand, construit la inceputul anilor '90, de catre Mark Rosheim, era indemanatic,fiabil si era actionata de un sistem electromecanic ce se afla in palma. Aceasta mana mecanica a fost cea mai avansata si cu cea mai naturala miscare dintre cele create de agentia spatiala in anii '90, motiv pentru care cercetatorii au intentionat sa puna si o manusa pe ea. Ca si mana umana, aceasta mana robotica permitea departarea si apropierea degetelor (aductie si abductie), miscare permisa datorita folosirii unor articulatii de tip "bila si locas" (sferice) . Articulatia era eficienta si in apucarea obiectelor permitand o strangere de 110 grade a degetelor si o eliberare fata de planul normal de 70 de grade. Articulatiile aveau limitatoare mecanice care nu permiteau articulatiilor degetelor sa se dea peste cap sau sa se stranga prea tare, asemanator unei maini umane. Folosind un sistem de actionare electromecanic, tendoanele nu au mai fost folosite asadar au fost folosite materiale de lagarurire mai puternice, de exemplu rulmenti cu doua randuri de bile pentru motoare mai puternice. In final degetele erau asemanatoare si puteau fi interschimbabile.
Aceasta proteza de mana de 65000 de dolari este actionata de motoare electrice de foarte mici dimensiuni si are 5 degete articulate. semnalale de comanda sunt 2 semnale mioelectrice preluate de pe terminatiile
nervoase ale pacientului care duceau spre membrul pierdut. i_limb, cum este numita aceasta proteza, ofera pacientului precizie in apucarea de obiecte precum si o buna forta de apucare si o buna dexteritate, similara celei naturale. Pe langa aceste caracteristici aceasta mana mai ofera avantajul de a avea degete interschimbabile, ceea ce face serviceul un pic mai facil si mai putin scump.
BH8 BarretHand este o mana robotica cu 3 degete programabila, cunoscuta pentru flexibilitatea sa. Doua dintre degete pot sa se roteasca cu 180 de grade in jurul palmei si sa isi schimbe pozitia usordand mainii doua degete opozabile. Mana are propriul sau procesor si poate fi controlota de un computer prin portul serial. De asemenea este durabila si completa echipata, si mai poseda un mecanism de tip ambreiaj pentru a putea controla forta strangerii. Expertii au dezvoltat aceasta mana cu noi aplicatii astfel ca aceasta poate apuca orice de la pahare de vin pana la periute de dinti prin intermediul comenzilor vocale.
Robo Habilis, creata in 2005 de catre companie europeana SENSOPAC este controlata de um model informatic al cerebelului uman. softwareul avansat se ocupa de gestionarea informatiilor proventie de la senzosri si miscarile actuatorilor si ne duce tot mai aproape de un sistem robotizat inteligent si constient. Mana robotica este acoperita cu o piele subtire si flexibila formata din senzori din fibra de carbon ce isi schimba rezistenta o data cu presiunea aplicata. Aceasta piele permite ingramadirea a mii de mici senzori care redau la un loc cu o acuratete mult mai mare informatii legate de obiectul apucat si de forta de strangere aplicata de mana decat era posibil pana acum. Mana este controlata de 58 de mototare asezate in perechi ce ofera o paleta larga de forte. degetele au 38 de motoare de actionare ceea ce permite mainii sa pocneasca degetele sau sa apuce un ou fara sa il sparga.
Mana Shefield, construita in 2002, se concentreaza pe dezvoltarea “musculaturii artificiale” si a articulatiilor sophisticate. Condusa de tije telescopice prin palma mainii, degetele sunt trase si indoite intr-o miscare rotativa. In schimb, falngele detaliate fac din aceasta mana una dintre cele mai flexibile maini care reproduce cel mai bine abductia si aductia mainii umane. Mana include senzori (haptic) si musculatura din plastic dur mimeaza flexibilitatea unei maini umane. In procesul de testare, cercetatorii, au facut concursuri de scandenberg intre trei versiuni ai mainii robotice si mana umana. Mana Shefield a fost folosita de asemenea de laboratoarele de propulsie a NASA ca prim prototip pentru bratul de 1.50m al misiunii spatiale Discovery.
Shadow Robot Hand
Shadow hand are senzori integrati in toata palma si degetele sale si poate controlata de diverse sisteme de calcul, motiv pentru care este preferata de majoritatea facultatilor si de contractorii particulari. Aceasta mana este deosebita datorita multitudinii de miscari pe care le paote face. Bancul de 40 de muschi pneumatici ii permite sa realizeze 24 de miscari diferite de unghi mare iar degetele sunt foarte sensibile. Mai mult muschii sunt moi si foarte bine controlati ceea ce permite mainii sa se joace cu obiecte fragile.
Mainile chirurgicale DAVINCI In ciuda faptului ca mainile robotice se dezvolta de aproape 50 de ani, aceste maini sunt abia la inceput. Ca si laptopurile si MP3 playerele inaintea lor, si mainile vor deveni mai fine si mai complexe. Mainile chirugicale EndoWrist sunt unelte chirurgicale mici, cu 5mm-8mm diametru. Cu 7 grade de liberate si articulatii la 90 de grade, ele sunt cele mai precise comprehensoare robotice din lumea meadicala. Sunt folosite pe scara larga de chirurgi deoarece ii ajuta sa imbunatateasca performantele de dexteritate pentru care sunt renumiti, si permit o interventie chirurgicala mai putin invaziva decat in mod clasic. Doctorul manipuleaza cu varful degetelor de langa pacient aceste dispozitive urmarind o microcamera de filmat ce reda imaginile din interior. Desi pare greu de crezut aceste maini, desi atat de miniaturizate, sunt totusi destul de puternice sa manevreze o gama larga de obiecte chirurgicale.
Dimensionarea gripperelor
Forta pe care un gripper(mana robotica) o aplica unei piese este de obicei ceea ce ii ajuta pe ingineri in momentul in care sunt pusi in situatia in care trebuie sa aleaga un gripper. Desi forta este principalul considerent cand se face o astfel de alegere, cuplul pe care il dezvolta gripperul este important in aceeasi masura.
“Mituri “ale gripperelor 1+1=1? Primul mit care trebuie explicat este 1+1=2. In cazul mainilor mecanica, 5Kg de forta de la fiecare cleste adduce 5 kg forta piesei sau 1+1=1. In fapt, jumatate din forta dezvoltata de fiecare cleste este folosita pentru a contracara celalalt cleste. Pentru a demonstra acest lucru putem folosi urmatorul exeplu simplu: Sa presupunem ca vom aplica 20 Kg forta asupra unui perete. Ce va face peretele? Va trebui sa impinge inapoi cu 20 Kg forta altfel se va misca. Noi aplicam 20 Kg forta asupra peretelui, astfel orice este prins intre noi si perete va fi strivit cu o forta de 20 de Kg. In urma acestui exemplu este usor de inteles ca in cazul gripperelor atunci cand vorbim de forta este vorba de forta dezvoltata de un singur cleste.
Eficienta alunecarii gripperului Eficienta alunecarii unui gripper este de obicei oferita prin intermediul unui table(diagrame) care ne arata lungimea clestelui vs forta dezvoltata. Acesta este un indicator al cumulului de forta care poate fi de fapt dezvoltata de catre gripper vs forta teoretica dezvoltata de catre un sistem pneumatic sau electric. Chiar daca eficienta reprezinta un factor important, in cele mai multe cazuri are putin de aface cu cerintele de marime ale gripperului, deoarece alunecarea este la fel de eficienta in ambele directii. Astfel, daca piesa are o reactie de respingere a clestelui, datorita greutatii sau acceleratiei, alunecarea va fi la fel de eficienta sau ineficienta in transmiterea acestei forte, create de piesa, catre gripper, cum va si in transmiterea fortei ,create de gripper, catre piesa. Eficienta alunecarii intra in discutie in momentul in care clestii gripperului sunt proiectati astfel incat este stipulate doar o apucare prin frecare iar strangerea este singurul lucru care tine piesa prinsa. In mod uzual diagramele [entru eficienta alunecarii sunt doar niste masuratori grosolane( aproximative) ale posibilitatilor cuplului alunecarii.
In concluzie: daca momentul in care dorim sa dimensionam un gripper avem nevoie de informatii cu privire la cuplu.
Dimensionarea Exista 2 elemente principale care trebuie luate in considerare cand se doreste dimensionarea unei maini mecanice: forta gripperului si cuplul alunecarii. Cerintele pentru acesti 2 factori trebuie determinate pentru a asigura succesul aplicatiei.
Cerintele de forta pentru un gripper Factorul Cleste Stilul clestelui care este folosit joaca un rol foarte important in determinarea fortei necesare intr-o aplicatie cu gripper. Exista 2 tipuri de clesti: care fac apucarea prin frecare si prin inconjurare. Clestii care fac apucarea prin frecare se bazeaza in totalitate pe forta dezvoltata de gripper pentru a tine piesa, “strangerea” gripperului face toata treaba. Clestii care fac apucarea prin inconjurare aduc stabilitate si putere deoarece “ocrotesc piesa”. Clestii care inconjoara detin un mare avantaj, 4 la 1, cand vorbim de forta necesara deoarece clestii trebuie sa fie deschisi pentru ca o piesa sa fie scapata dintr-o astfel de strangere. Astfel, ineficienta alunecarii ajuta sa tina piesa la locul ei. In cazul apucarii prin frecare clestii nu trebuie sa fie miscati semnificativ pentru ca piesa sa cada si in mod empiric coeficientul de frecare este 2 la 25. Prin definitie stim ca apucarea prin frecare necesita o forta de 4 ori mai mare decat apucarea prin inconjurare, pentru manevrarea aceleiasi piese.
Factorul greutate Urmatorul factor important in determinarea fortei cerute de gripper este greutatea pe care o experimenteaza mana mecanica datorita gravitatiei si acceleratiei. Acceleratia reprezinta un factor important pentru gripper. Greutatea piesei manipulate trebuie inmultita cu numarul de G-uri(gravitatia Pamantului 1G)_ pentru a dimensiona gripperul. 1G=9,75m/s^2 Forta de apucare= Greutatea piesa*(1+G-ul piesei)*Stilul falcilor( 1 pentru inconjurare si 4 pentru frecare).
Cerinte de cuplu Cuplul este celalalt factor important in dimensionare. Exista 2 tipuri de cupluri: cel generat de gripper asupra sa si cel generat de acceleratie si greutatea piesei asupra gripperului. De obicei sunt necesare pentru aplicatii clesti de lungime mare. Astfel cu cat lungimea clestilor este mai mare cu atat cuplul indus asupra sa de gripper este mai mare. Cuplul=Forta*Lungime clesti
Cuplul piesei este I esenta acceleratia( G-urile)*Greutate*Lungime clesti Stim ca acceleratia mareste forta. De asemenea adauga si cuplul in plus fata de forta asteptata de gripper.
In concluzie se poate spune ca factorii care influenteaza specificatiile pentru o mana mecanica sunt stilul clestilor, lungimea lor si acceleratia..
2. BIBLIOGRAFIE
• • • • • •
Demian T., Tudor T., Curiţa I., Niţu C. – Bazele proiectãrii aparatelor de mecanicã finã, vol. I şi II, Editura Tehnicã, 1982,1984. Demian T., Tudor D., Grecu E. – Mecanisme de mecanicã finã, E.D.P. Bucureşti, 1982. Demian T., Grecu E., Spânu A., – Lucrãri de laborator la mecanisme de mecanicã finã, U.P. Bucureşti, 1995. Kovacs F., Cojocaru C. –Roboţi industriali şi aplicaţiile lor, Editura Facla Timişoara, 1980. Udrea C., Panaitopol M. – Automate de control şi servire. Roboţi industriali, U.P. Bucureşti, 1987.
Organe de maşini – standarde şi comentarii, vol. II, Ed. Tehnicã Bucureşti, 1984. • Elemente de fixare şi de asamblare, Ed. Tehnicã Bucureşti, 1984.
