universitatea transilvania din braşov - old.unitbv.roold.unitbv.ro/portals/31/sustineri de...
TRANSCRIPT
1
Investeşte în oameni!
FONDUL SOCIAL EUROPEAN
Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013 Axa prioritară 1 „Educaţie şi formare profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere”
Domeniul major de intervenţie 1.5. „Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării”
Titlul proiectului: Burse doctorale si postdoctorale pentru cercetare de excelenta Numărul de identificare al contractului: POSDRU/159/1.5/S/134378
Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov
Partener:
Universitatea Transilvania din Braşov
Şcoala Doctorală Interdisciplinară
Departament: Inginerie şi Management Industrial
Ing. Doina ŢÂRLIMAN (căs. NEGREA)
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale
roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Research concerning the gripper systems of industrial
robots actuated by pneumatic muscles
Conducător ştiinţific
Prof.dr.ing. Tudor Ion Deaconescu
BRAŞOV, 2014
2
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
MINISTERUL EDUCAŢIEI NAŢIONALE
UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV
BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525
RECTORAT
D-lui (D-nei) ..............................................................................................................
COMPONENŢA
Comisiei de doctorat
Numită prin ordinul Rectorului Universităţii „Transilvania” din Braşov
Nr. 6803 din 08.09.2014
PREŞEDINTE: - Prof.univ.dr.ing.Ramona CLINCIU
PRODECAN – Fac. de Inginerie Tehnologicǎ şi
Management Industrial
Universitatea “Transilvania “ din Braşov
CONDUCǍTOR - Prof.univ.dr.ing. Tudor Ion DEACONESCU
ŞTIINŢIFIC : Universitatea “Transilvania” din Braşov
REFERENŢI: - Prof.univ.dr.ing. Miron ZAPCIU
Universitatea “Politehnicǎ” din Bucureşti
- Prof.univ.dr.ing. Claudiu RAŢIU
Universitatea Tehnicǎ din Cluj Napoca
- Prof.univ.dr.ing. Ionel STAREŢU
Universitatea “Transilvania” din Braşov
Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: 15/10/2014, ora 10,
sala VPA.
Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să
le transmiteţi în timp util, pe adresa : [email protected]
Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de
doctorat.
Vă mulţumim.
3
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
CUPRINS
Pg Pg
teza rezumat
Cuprins 7 3
Introducere 11 -
PARTEA I. STADIUL ACTUAL PRIVIND CONSTRUCŢIA
SISTEMELOR DE PREHENSIUNE 13 9
1. Sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali 13 9
1.1 Roboţi industriali 13 9
1.2 Sisteme de prehensiune 17 9
1.2.1 Noţiuni generale 17 -
1.2.2 Clasificarea sistemelor de prehensiune 22 9
1.2.3 Variante constructive 27 11
1.2.4 Variante structurale 31 -
1.2.5 Concluzii 32 -
2. Acţionarea sistemelor de prehensiune 33 12
2.1 Generalitǎţi 33 12
2.2 Acţionarea electricǎ 34 -
2.3 Acţionarea hidraulicǎ 40 -
2.4 Acţionarea pneumaticǎ 46 13
2.4.1 Generalitǎţi 46 13
2.4.2 Sisteme de prehensiune acţionate pneumatic 48 13
2.4.3 Muşchi pneumatici 51 14
2.4.3.1 Istoric 51 -
2.4.3.2 Principiul de lucru al muşchilor pneumatici 58 14
2.4.3.3 Proprietăţile şi caracteristicile muşchilor pneumatici
Festo 59 15
2.4.3.4 Aplicaţii ale muşchilor pneumatici 63 16
2.4.4 Concluzii 65 -
3. Obiectivele tezei 66 17
PARTEA A II-A STUDII TEORETICE PRIVIND POSIBILITATEA
ACŢIONĂRII CU AJUTORUL MUŞCHILOR
PNEUMATICI A SISTEMELOR DE PREHENSIUNE 68 18
4. Principiile şi etapele dezvoltării unor noi sisteme de prehensiune 68 18
4.1 Introducere 68 -
4.2. Proiectarea prin analogie 70 18
4.2.1 Bionica 71 18
4.2.2 Sisteme de prehensiune cu acţionare bionică 73 19
4.3 Analiza unor noi soluţii constructive de sisteme de prehensiune 75 20
4.3.1 Aplicarea bionicii de analogie pentru selectarea unor noi
variante de sisteme de prehensiune 75 20
4.3.2 Decompozarea procesului de prehensiune 78 -
4.3.3 Variante propuse de sisteme de prehensiune acţionate cu
ajutorul muşchilor pneumatici 79 21
4.4 Concluzii 81 -
5. Modelarea structurală, cinematică, statică, constructivă şi funcţională a 83 23
4
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
variantelor propuse de sisteme de prehensiune
5.1 Modelarea structurală, cinematică şi statică a sistemului de
prehensiune paralel, asimetric, cu două bacuri mobile (V1) 83 23
5.1.1 Caracterizarea structurală a mecanismului rezultat 84 23
5.1.2 Determinarea funcţiilor de transmitere pentru viteze 85 24
5.1.3 Determinarea funcţiei de transmitere pentru forţe 86 24
5.2 Modelarea structurală, cinematică şi statică a sistemului de
prehensiune paralel, simetric, cu două bacuri mobile (V2) 89 26
5.2.1 Caracterizarea structurală a mecanismului rezultat 90 -
5.2.2 Determinarea funcţiilor de transmitere pentru viteze 91 26
5.2.3 Determinarea funcţiei de transmitere pentru forţe 92 27
5.3 Modelarea structurală, cinematică şi statică a sistemului de
prehensiune paralel, asimetric, cu un bac mobil şi unul fix (V3) 93 27
5.3.1 Caracterizarea structurală a mecanismului rezultat 94 27
5.3.2 Determinarea funcţiilor de transmitere pentru viteze 95 28
5.3.3 Determinarea funcţiei de transmitere pentru forţe 95 28
5.4 Modelarea structurală, cinematică şi statică a sistemului de
prehensiune unghiular, cu două bacuri mobile (V4) 96 29
5.4.1 Caracterizarea structurală a mecanismului rezultat 97 29
5.4.2 Determinarea funcţiilor de transmitere pentru vitezele
unghiulare 98 29
5.4.3 Determinarea funcţiei de transmitere pentru forţe şi momente 98 29
5.5 Modelarea constructivă şi funcţională a sistemelor de prehensiune
analizate 100 30
5.5.1 Determinarea forţelor de prehensiune 101 30
5.5.2 Alegerea muşchiului pneumatic 106 31
5.5.3 Modele constructive şi funcţionale 109 31
5.5.3.1 Modelele constructiv şi funcţional ale sistemului de
prehensiune paralel, asimetric, cu două bacuri mobile (V1) 110 31
5.5.3.2 Modelele constructiv şi funcţional ale sistemului de
prehensiune paralel, simetric, cu două bacuri mobile (V2) 116 33
5.5.3.3 Modelele constructiv şi funcţional ale sistemului de
prehensiune paralel, asimetric, cu un bac mobil şi unul fix
(V3) 119 34
5.5.3.4 Modelele constructiv şi funcţional ale sistemului de
prehensiune unghiular, cu două bacuri mobile (V4) 122 35
5.6 Analiza multicriterială pentru selectarea variantei optime de sistem de
prehensiune 125 35
5.7 Analiza cu element finit a variantei constructive optime (Varianta 1) 128 36
5.8 Concluzii 136 -
PARTEA A III - A STUDIUL PERFORMANŢELOR UNUI SISTEM DE
PREHENSIUNE ACŢIONAT CU AJUTORUL
MUŞCHILOR PNEUMATICI 138 40
6. Studii experimentale privitoare la comportamentul muşchilor pneumatici 139 40
6.1 Standul experimental 139 40
6.2 Studiul evoluţiei în timp a presiunii de umflare/dezumflare a
muşchiului pneumatic 142 41
6.3 Analiza debitului de aer consumat de muşchiul pneumatic 148 -
6.4 Determinarea histerezisului muşchiului pneumatic 149 43
6.5 Determinarea mărimii forţelor dezvoltate de muşchiul pneumatic 154 46
6.6 Concluzii 167 -
5
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
7. Studii experimentale privitoare la comportamentul sistemului de prehensiune 169 49
7.1 Construcţia sistemului de prehensiune 169 49
7.2 Măsurarea cursei reale efectuate de bacurile sistemului de
prehensiune 170 49
7.3 Măsurarea forţei reale dezvoltate de bacurile sistemului de
prehensiune 173 50
7.4 Determinarea rigidităţii şi a complianţei sistemului de prehensiune 178 52
7.5 Concluzii 184 -
8. Concluzii şi contribuţii personale 186 55
8.1 Concluzii generale 186 55
8.2 Contribuţii personale 190 57
8.3 Dezvoltări viitoare 191 58
8.4 Valorificarea tezei 192 58
BIBLIOGRAFIE 193 59
ANEXE 201 -
6
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
SUMMARY
Summary 7 3
Introduction 11 -
PART I. CURRENT STAGE FOR CONSTRUCTION OF GRIPPING
SYSTEMS 13 9
1. Gripping systems of industrial robots 13 9
1.1 Industrial robots 13 9
1.2 Gripping systems 17 9
1.2.1 Generalities 17 -
1.2.2 The classification of gripping systems 22 9
1.2.3 Constructive variants 27 11
1.2.4 Structural variants 31 -
1.2.5 Conclusion 32 -
2. Gripping sistems actuation 33 12
2.1 Generalities 33 12
2.2 The electric actuation 34 -
2.3 The hydraulic actuation 40 -
2.4 The pneumatic actuation 46 13
2.4.1 Generalities 46 13
2.4.2 Gripping systems pneumatic actuated 48 13
2.4.3 Pneumatic muscles 51 14
2.4.3.1 Historical 51 -
2.4.3.2 Working principle of the pneumatic muscles 58 14
2.4.3.3 Proprietăţile şi caracteristicile muşchilor pneumatici
Festo 59 15
2.4.3.4 Aplications of the pneumtic muscles 63 16
2.4.4 Conclusion 65 -
3. The thesis objectives 66 17
PART II. THEORETICAL STUDIES REGARDING THE ACTUATION
OF THE GRIPPING SYSTEMS USING PNEUMATIC
MUSCLES 68 18
4. The principles and stages of development of of new gripping systems 68 18
4.1 Introduction 68 -
4.2. Design by analogy 70 18
4.2.1 Bionics 71 18
4.2.2 Gripping systems bionic acted 73 19
4.3 The analysis of new design solution for gripping systems 75 20
4.3.1 Applying the analogy bionic for selection of new gripping
systems solutions 75 20
4.3.2 The decomposition of gripping process 78 -
4.3.3 The proposed gripping systems solutions acted by pneumatic
muscles 79 21
4.4 Conclusion 81 -
5. Structural modeling , kinematics, statics, design and operational mode of the
proposed gripping systems solutions 83 23
5.1 . Structural modeling, , kinematics and statics of the parallel gripping
system, asymmetric, with two mobile jaws (V1) 83 23
5.1.1 The structural characterization of the resulting mechanism 84 23
7
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
5.1.2 The calculation of the transmission functions for the working
speeds 85 24
5.1.3 The calculation of the transmission functions for the working
forces 86 24
5.2 Structural modeling, , kinematics and statics of the parallel gripping
system, symmetric, with two mobile jaws (V2) 89 26
5.2.1 The structural characterization of the resulting mechanism 90 -
5.2.2 The calculation of the transmission functions for the working
speeds 91 26
5.2.3 The calculation of the transmission functions for the working
forces 92 27
5.3 Structural modeling, , kinematics and statics of the parallel gripping
system, asymmetric, with a mobile and a fix jaw (V3) 93 27
5.3.1 The structural characterization of the resulting mechanism 94 27
5.3.2 The calculation of the transmission functions for the working
speeds 95 28
5.3.3 The calculation of the transmission functions for the working
forces 95 28
5.4 Structural modeling, , kinematics and statics of the angular gripping
system, with two mobile jaws (V4) 96 29
5.4.1 The structural characterization of the resulting mechanism 97 29
5.4.2 The calculation of the transmission functions for theangular
working speeds 98 29
5.4.3 The calculation of the transmission functions for the working
forces and moments 98 29
5.5 Design modeling and the operational mode of the analyzed gripping
systems 100 30
5.5.1 The calculation of the gripping forces 101 30
5.5.2 The selection of the pneumatic muscle 106 31
5.5.3 Designed and operational models 109 31
5.5.3.1 Designed and operational models of the parallel gripping
system, asymmetric, with two mobile jaws (V1) 110 31
5.5.3.2 Designed and operational models of the parallel gripping,
symmetric, with two mobile jaws (V2) 116 33
5.5.3.3 Designed and operational models of the parallel gripping,
asymmetric, with a mobile and a fix jaw (V3) 119 34
5.5.3.4 Designed and operational models of the angular gripping
system, with two mobile jaws (V4) 122 35
5.6 Multi-criteria analysis for the selection of the optimal solution
gripping system 125 35
5.7 The finite element analysis of optimal design solution (Solution 1) 128 36
5.8 Conclusion 136 -
PART III. THE PERFORMANCCE STUDY OF THE GRIIPING
SISTEMS ACTED BY PNEUMATIC MUSCLES 138 40
6. Experimental studies for the behavior of the pneumatic muscles 139 40
6.1 The experimental stand 139 40
6.2 The study of the evolution in time of the inflation pressure / deflation
of the pneumatic muscle 142 41
6.3 The analysis of the air flow consumed by the pneumatic muscle 148 -
6.4 Determination of the pneumatic muscle hysteresis 149 43
6.5 Determination of the size of developedforces by the pneumatic 154 46
8
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
muscle
6.6 Conclusions 167 -
7. Experimental studies for the behavior of the gripping system 169 49
7.1 Gripping system design 169 49
7.2 Masurement of the real racing made by the gripping system jaws 170 49
7.3 Masurement of the real force developed by the gripping system jaws 173 50
7.4 Determination of the rigidity and compliace of the gripping sistem 178 52
7.5 Conclusions 184 -
8. Conclusions and the personal contributions 186 55
8.1 General conclusions 186 55
8.2 Personal contributions 190 57
8.3 Future developments 191 58
8.4 The thesis harnessing 192 58
BIBLIOGRAPHY 193 59
ATTACHMENTS 201 -
9
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
PARTEA I.
STADIUL ACTUAL PRIVIND CONSTRUCŢIA SISTEMELOR DE PREHENSIUNE
Capitolul 1
SISTEMELE DE PREHENSIUNE ALE ROBOŢILOR INDUSTRIALI
1.1 Roboţi industriali
Primul robot cu aplicaţii industriale a fost realizat abia în anul 1962 de cǎtre firma
UnimationTM
şi implementat în cadrul companiei General Motors. În anii care au urmat,
dezvoltarea roboţilor a continuat într-un ritm susţinut, mai ales în SUA şi Japonia, astǎzi ei fiind
rǎspândiţi în întreaga industrie mondialǎ. .
Ca şi aspect, roboţii industriali se aseamǎnǎ cu braţul uman. Aşa cum acesta este legat de
trunchi, robotul industrial este ataşat unei structuri fixe, numitǎ bazǎ. În figura 1.6 este
prezentatǎ structura unui asemenea robot industrial:
Fig. 1.6 “Anatomia” unui robot industrial
Elementul final al unui robot industrial (end-effector) este sistemul de prehensiune, el
nefiind de regulǎ inclus în “anatomia” robotului. În continuare, studiile efectuate vizeazǎ analiza
stadiului actual în ceea ce priveşte construcţia sistemelor de prehensiune.
1.2. Sisteme de prehensiune
1.2.2 Clasificarea sistemelor de prehensiune
Principalul criteriu de clasificare a sistemelor de prehensiune este cel care ţine cont de
natura acestora. Conform acestui criteriu, sistemele de prehensiune pot fi naturale şi artificiale.
Sistemele de prehensiune naturale sunt întâlnite în lumea vieţuitoarelor la pǎsǎri,
crustacee, reptile, mamifere etc,câteva exemple fiind prezentate în figura 1.14:
Fig. 1.14 Sisteme naturale de prehensiune
10
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Derivate din cele naturale, sistemele artificiale de prehensiune sunt destinate diferitelor
aplicaţii industriale, medicale sau în alte domenii de activitate. Clasificarea acestor sisteme se
poate realiza în funcţie de mai multe criterii, dupǎ cum urmezǎ:
a. În funcţie de metoda de prehensiune, pot exista sisteme cu contact (la care douǎ sau
mai multe forţe sunt aplicate direct obiectului), intruzive (prehensiunea este realizatǎ
prin străpungerea suprafeţei corpului), astringente (o forţǎ de legǎturǎ este aplicatǎ
într-o singurǎ direcţie) şi contigue(o metodǎ de prehensare fǎrǎ contact, la care este
necesarǎ generarea unei forţe de atragere pe o singurǎ direcţie) [62]. În Tabelul 1.2
sunt prezentate câteva caracteristici ale acestor metode de prehensiune:
Tabelul 1.2 Metode de prehensiune
Metode de prehensiune Tipul prehensorului Obiect de prehensat
Cu contact Cu bacuri, tentacular Obiecte rigide
Intruziv Intruziv Obiecte flexibile: textile, carbon, fibrǎ
de sticlǎ
Astringent
Vacuumatic Obiecte rigide, neporoase
Magnetoadezive Materiale feroase
Electroadezive Table subţiri
Contigue
Termic Obiecte flexibile: textile, carbon, fibrǎ
de sticlǎ
Chimic Fibrǎ de carbon impregnatǎ cu adeziv
Cu tensiune superficialǎ Obiecte mici şi uşoare
b. În funcţie de tipul mişcǎrii executate de bacurile de prindere: cu mişcare de rotaţie
(prehensoare unghiulare) şi cu mişcare liniarǎ (prehensoare paralele).
Prehensor unghiular Prehensor paralel
Fig. 1.16 Clasificarea sistemelor de prehensiune dupǎ tipul mişcǎrii [84]
c. Dupǎ numǎrul zonelor de prindere a obiectului, sistemele de prehensiune pot fi cu
douǎ (cel mai des), cu trei sau cu mai multe degete (bacuri).
Fig. 1.17 Clasificarea sistemelor de prehensiune dupǎ numǎrul zonelor de prindere [84]
d. Dupǎ tipul elementului de prehensiune: cu bacuri rigide, cu bacuri adaptive la forma
obiectului prehensat, cu tentacule realizate din elastomeri.
11
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Fig. 1.18 Clasificarea sistemelor de prehensiune dupǎ gradul de flexibilitate al bacurilor
e. Dupǎ tipul energiei folosite pentru acţionare, sistemele de prehensiune pot fi
pneumatice, hidraulice, cu vacuum, servo-electrice, magnetice etc.
1.2.3. Variante constructive
Cele mai rǎspândite sisteme de prehensiune sunt acelea care au în componenţa lor roţi
dinţate şi mecanisme cu bare articulate. Câteva exemple de asemenea sisteme prehensoare sunt
prezentate în continuare.
În figura 1.21 este arǎtat un sistem prehensor paralel al cǎrui lanţ cinematic aferent unui
portbac are ca element iniţial un melc ce antreneazǎ o roatǎ melcatǎ. În continuare, lanţul
cinematic conţine un mecanism patrulater cu bare articulate, una dintre laturile sale fiind chiar
portbacul. De la acelaşi melc este antrenat, în oglindǎ, şi celǎlalt portbac al prehensorului [85].
Fig. 1.21 Prehensor cu angrenaj melcat şi bare articulate
O construcţie asemǎnǎtoare, bazatǎ pe acelaşi principiu al antrenǎrii cu angrenaj melcat
este cea din figura 1.22. În acest caz este vorba despre un sistem prehensor cu patru bacuri [85].
Fig. 1.22 Prehensor cu patru bacuri
Mecanism
patrulater Angrenaj
melc-roatǎ
melcatǎ
12
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Capitolul 2
ACŢIONAREA SISTEMELOR DE PREHENSIUNE
2.1 Generalităţi
Motoarele de acţionare a sistemelor de prehensiune trebuie sǎ rǎspundǎ principalelor
sarcini care-i revin unui asemenea sistem, ca de exemplu: asigurarea unei forţe de strângere
suficiente, precizie, fiabilitate, flexibilitate şi complianţǎ etc. În funcţie de natura energiei
utilizate pentru acţionare, motoarele pot fi electrice, hidraulice, pneumatice sau de tip
neconvenţional.
Motoarele electrice sunt des utilizate la construcţia sistemelor de prehensiune datoritǎ
simplitǎţii comenzii acestora. Motoarele hidraulice, liniare sau rotative, sunt folosite în aplicaţiile
care presupun forţe mari de strângere, în timp ce acţionarea pneumaticǎ este utilizatǎ pentru
aplicaţiile la care forţele necesare au valori mai reduse, complianţa fiind însă o caracteristică
importantă. În figura de mai jos sunt prezentate câteva exemple de sisteme de prehensiune
acţionate fluidic şi electric [62]:
Fig. 2.1 Exemple de acţionǎri ale sistemelor de prehensiune
a. cu motor fluidic; b. cu membranǎ (pneumatic); c. acţionare electromecanicǎ; d. acţionare
electromagneticǎ
O comparaţie între diferitele tipuri de energie utilizatǎ pentru acţionǎrile industriale este
realizatǎ în tabelul 2.1 [21]:
Tabelul 2.1 Comparaţie între diferite tipuri de acţionări
Criteriul de comparaţie Tipul acţionării
Pneumatică Hidraulică Electrică
Disponibilitate ** * ***
Posibilitate de transport la distanţe mari ** * ***
Costuri de stocare a mediului de lucru *** ** *
Gradul de poluare a mediului
înconjurător *** * **
Costurile componentelor *** * ***
Viteze de mişcare la elementul de
execuţie ** * ***
Mărimea forţei obţinute ** *** *
Durata de viaţă *** ** **
Reglabilitatea parametrilor de lucru *** ** *
*** = foarte bine; ** = bine; * = satifăcător.
13
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
2.4. Acţionarea pneumaticǎ
2.4.1. Generalitǎţi
Acest tip de acţionare este cel mai des întâlnit la sistemele de prehensiune, fapt datorat
avantajelor pe care le prezintǎ:
simplitatea schemelor de comandǎ;
posibilitatea supraîncǎrcǎrii sistemului;
întreţinere uşoarǎ;
mediu de lucru nepoluant;
momentele, vitezele şi forţele pot fi reglate uşor, cu dispozitive simple;
transmisiile pneumatice permit porniri şi opriri dese, cât şi schimbări bruşte de sens, fără
a se produce avarii;
complianţǎ etc
2.4.2. Sisteme de prehensiune acţionate pneumatic
Firma Festo AG & Co. din Germania este unul dintre cei mai importanţi producǎtori de
sisteme pneumatice de prehensiune. În cele ce urmeazǎ sunt prezentate câteva asemenea variante
constructive de sisteme[39]:
Fig. 2.25 Sisteme de prehensiune paralele cu douǎ bacuri
Fig. 2.26 Sisteme de prehensiune paralele cu trei bacuri
Fig. 2.27 Sisteme de prehensiune unghiulare
Un motor pneumatic de tip relativ nou este muşchiul pneumatic. Sunt cunoscute câteva
construcţii de sisteme de prehensiune bazate pe acest motor, douǎ dintre acestea fiind prezentate
în figura 2.31[40], [41].
14
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Fig. 2.31 Sisteme de prehensiune acţionate cu muşchi pneumatici
Primul prehensor, dezvoltat de firma Festo şi denumit Power Gripper, a pornit de la ideea
modului de a apuca cu ciocul al pǎsǎrilor. Ca motor este utilizat un muşchi pneumatic, iar
construcţia prehensorului este bazatǎ pe lanţurile cinematice Watt. Sistemul are un bun raport
forţǎ dezvoltatǎ/greutate proprie, datorat utilizǎrii unui motor uşor (muşchiul pneumatic).
Cel de-al doilea sistem prezentat în figura 2.31 este un prehensor paralel de tip DMSP-...-
HGP-SA acţionat cu doi muşchi pneumatici. El este destinat funcţionǎrii în aplicaţii de tip pick
and place, în medii cu un conţinut ridicat de praf.
2.4.3. Muşchi pneumatici
2.4.3.2. Principiul de lucru al muşchilor pneumatici
Muşchiul pneumatic este definit ca fiind un sistem elastic ce are la bază o membrană
contractantă care, sub acţionarea aerului comprimat, îşi măreşte diametrul şi îşi micşoreazǎ
lungimea iniţială. Schema de principiu care descrie modul de acţiune al muşchilor pneumatici
este redată mai jos:
Fig. 2.47 Modul de lucru al muşchiului pneumatic
La ora actualǎ, pe piaţǎ, muşchiul pneumatic cu cele mai competitive proprietǎţi este cel
realizat de firma Festo din Germania.
Fig. 2.49 Muşchi pneumatic Festo
Acest tip de muşchi are ca element principal un tub flexibil acoperit cu un înveliş etanş
confecţionat din fibre inelastice dispuse romboidal, obţinându-se astfel o reţea tridimensională.
Atunci când muşchiul artificial pneumatic este alimentat cu aer comprimat, aceasta se
deformeazǎ, pe direcţie longitudinalǎ luând naştere o forţă de tragere. Forţa dezvoltată de
muşchiul pneumatic este dată de ecuaţia (2.18)[48]:
(2.18)
unde p este presiunea aerului comprimat, iar d este diametrul interior al muşchiului pneumatic.
15
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Muşchii pneumatici au un comportament asemǎnǎtor unor arcuri mecanice, adicǎ forţa
iniţialǎ dezvoltatǎ este maximǎ, ea scǎzând spre zero pe mǎsurǎ ce deformaţia creşte..
2.4.3.3. Proprietăţile şi caracteristicile muşchilor pneumatici Festo
Structura constructivǎ a muşchilor pneumatici Festo le conferă acestora o serie de
proprietăţi deosebite şi anume :
muşchiul pneumatic poate fi produs într-o gama largă de dimensiuni (lungimi şi
diametre);
structura acestuia poate fi comparată cu cea a muşchiului uman din punct de vedere al
formei, proprietăţilor şi a performanţelor ;
sunt foarte flexibili, iar la atingere au o texturǎ fină;
prezintă siguranţă în exploatare;
mişcare silenţioasă, lină, de la început până la sfârşitul ciclului de lucru;
fricţiune şi histerezis redus;
au un cost redus de producţie;
lucrează foarte bine în mediu exploziv sau într-un mediu cu grad ridicât de umiditate
Muşchii pneumatici Festo sunt disponibili în douǎ variante constructive: tip DMSP şi,
respectiv, MAS. În figura urmǎtoare sunt prezentate ambele variante [39]:
DMSP MAS
Fig.2.50 Variante constructive de muşchi pneumatici Festo
Caracteristicile tehnice ale acestui tip de muşchi sunt urmǎtoarele:
diametre exterioare posibile: de 10, 20 sau 40 mm;
lungimea nominală poate fi cuprinsă între 40 – 9000 mm;
forţa dezvoltată este cuprinsă între 0 – 6000 N;
comportament dinamic bun;
poziţia de asamblare – oricare;
temperatura de lucru acceptată – cuprinsă în intervalul : -5… + 60ºC;
rezistenţă foarte bună la coroziune.
Cursa maximǎ pe care o poate realiza un muşchi pneumatic este de circa 20% din
lungimea sa în stare de repaus (neîncǎrcatǎ). În unele aplicaţii, aceastǎ cursǎ s-ar putea sǎ nu fie
suficientǎ, motiv pentru care pot fi folosite diferite soluţii de amplificare a deplasǎrilor necesare.
În figura 2.52 sunt prezentate variantele legǎrii în serie a mai multor muşchi pneumatici [48],
precum şi cea de amplificare a cursei cu ajutorul unor scripeţi [79]:
Fig. 2.52 Amplificarea cursei muşchilor pneumatici
16
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
În situaţia în care forţa dezvoltatǎ de un singur muşchi pneumatic nu este suficientǎ existǎ
soluţia amplasǎrii în paralel a mai multor asemenea motoare [48], [24], [25]:
Fig. 2.53 Legarea în paralel a muşchilor pneumatici
2.4.3.4. Aplicaţii ale muşchilor pneumatici
Literatura de specialitate oferǎ multe exemple de utilizare a muşchilor pneumatici în
industrie. Câteva dintre acestea sunt prezentate în figurile urmǎtoare [49]:
Fig. 2.58 Sisteme de prehensiune
Firma Festo a dezvoltat mai multe aplicaţii ale muşchilor pneumatici, în special în
domeniul roboticii, al activitǎţilor de recreere sau în cel al simulatoarelor de zbor. În figura 2.59
sunt arǎtate un braţşi un antebraţ ale unui robot humanoid, acţionate de grupuri de muşchi
pneumatici, precum şi un scaun mobil destinat instruirii piloţilor de avioane [39].
Festo AirArm Festo Airmotion
Fig. 2.59 Aplicaţii Festo ale muşchilor pneumatici
17
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Capitolul 3
OBIECTIVELE TEZEI
Cunoscută fiind situaţia actuală existentǎ pe plan mondial în ceea ce priveşte construcţia
sistemelor de prehensiune ale roboţilor industriali, teza de doctorat îşi propune ca obiectiv
principal concepereaunui asemenea sistem performant,caracterul de noutate constând în
modalitatea de acţionare a acestuia- cu ajutorul muşchilor pneumatici. Pentru atingerea
obiectivului principal asumat, teza de doctorat şi-a propus următoarele obiective specifice:
1. Analiza stadiului actual privind construcţia sistemelor de prehensiune, parcurgând urmǎtorii
paşi:
a. Consideraţii teoretice asupra stadiului actual al construcţiei sistemelor de prehensiune,
fiind avute în vedere următoarele:
analiza „anatomiei” roboţilor industriali;
definirea funcţiilor sistemelor de prehensiune;
clasificarea sistemelor de prehensiune;
prezentarea unor variante structurale şi constructive de sisteme de prehensiune.
b. Consideraţii teoretice asupra stadiului actual al acţionărilor sistemelor de prehensiune, cu
referire la:
acţionările electrice, hidraulice şi pneumatice;
o analiză de detaliu a actuatorilor pneumatici, îndeosebi a muşchilor pneumatici;
aplicaţiile industriale ale muşchilor pneumatici;
sistemele de prehensiune acţionate cu ajutorul muşchilor pneumatici.
2. Studii teoretice privind posibilitatea acţionării cu ajutorul muşchilor pneumatici a sistemelor
de prehensiune
a. Stabilirea principiilor şi a etapelor dezvoltării unor noi sisteme de prehensiune prin
aplicarea bionicii de analogie.
b. Modelarea structurală, cinematică şi statică a variantelor propuse de sisteme de
prehensiune, cu accent pe:
caracterizarea structurală a mecanismelor;
determinarea funcţiilor de transmitere a vitezelor;
determinarea funcţiilor de transmitere a forţelor şi a momentelor.
c. Modelarea constructivă şi funcţională a sistemelor de prehensiune analizate;
d. Analiza cu element finit a unor componente ale sistemelor de prehensiune.
3. Studiul performanţelor unui sistem de prehensiune acţionat cu ajutorul muşchilor pneumatici
a. Studii experimentale privitoare la comportamentul muşchilor pneumatici, cu referire la:
evoluţia în timp a presiunii de umflare/dezumflare a muşchiului pneumatic;
determinarea histerezisului muşchiului pneumatic;
determinarea mărimii forţelor dezvoltate de muşchiul pneumatic;
analiza rigidităţii şi a complianţei muşchiului pneumatic.
b. Studii experimentale privitoare la comportamentul sistemului de prehensiune, cu referire
la:
construcţia sistemului de prehensiune;
măsurarea cursei şi a forţelor reale efectuate/dezvoltate de bacurile sistemului de
prehensiune;
determinarea rigidităţii şi a complianţei sistemului de prehensiune;
18
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
PARTEA A II-A
STUDII TEORETICE PRIVIND POSIBILITATEA ACŢIONĂRII CU AJUTORUL
MUŞCHILOR PNEUMATICI A SISTEMELOR DE PREHENSIUNE
Capitolul 4
PRINCIPIILE ŞI ETAPELE DEZVOLTĂRII UNOR NOI SISTEME DE PREHENSIUNE
4.2 Proiectarea prin analogie
Proiectarea prin analogie reprezintă o metodă de lucru frecvent utilizată pentru generarea
unor noi produse şi/sau tehnologii. În unele situaţii, această abordare face apel doar la cunoştinţe
din domenii apropiate de natura produsului ce urmează a fi conceput, în altele însă, ideile provin
din orice domeniu, înrudit sau nu [13], [34].
Inspirarea în proiectare doar din domenii înrudite poartă numele analogie restrânsă, în
timp ce apelarea la modele existente în orice domeniu se numeşte analogie exhaustivă. În figura
4.1 sunt prezentate cele două tipuri de analogii, tema de cercetare impusă fiind aceea a proiectării
unui nou sistem de prehensiune (gripper). Se remarcă faptul că prin abstractizare, problema de
rezolvat se poate reduce la cea a realizării unui sistem ce limitează numărul gradelor de libertate
ale unui corp, modelele existente putând fi obţinute din natură, din tehnică, modă etc [35], [67].
Fig. 4.1 Tipuri de proiectare prin analogie
După cum se observă în figură, o bogată sursă de inspiraţie pentru obţinerea de noi
produse o reprezintă natura. Numeroase lucrări ştiinţifice tratează problema transferului
sistematic al cunoştinţelor din domeniul ştiinţelor naturii, al biologiei, în cel ingineresc,
proiectarea bionică (biomimetică) oferind un potenţial enorm pentru dezvoltarea de noi produse
şi tehnologii [4].
4.2.1 Bionica
Privită ca proces, bionica poate fi abordată din două perspective, una de tip top-down, iar
alta de tip bottom-up. În cazul unui proces de tip top-down (bionica de analogie), succesiunea
problemelor care trebuie rezolvate este următoarea [102]:
1. Definirea problemei;
2. Căutarea de analogii în natură;
3. Analiza exemplelor din natură;
4. Căutarea de soluţii tehnice pentru problema pusă după modelele naturale găsite.
19
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Printre obiectivele cercetărilor bionice actuale, o atenţie specială este acordată studiului
organelor efectoare. Studiul acestora şi al proceselor de transmitere a comenzilor către ele
reprezintă o parte esenţială a bionicii. În acest sens, animalele terestre, păsările şi peştii constituie
sursa de inspiraţie pentru dezvoltarea de diferite sisteme generatoare de mişcare. Un asemenea
exemplu este acela al studiului mişcării de căţărare a şopârlei şi transferarea rezultatelor obţinute
pentru realizarea unui robot căţărător (Fig. 4.3) [54].
Fig. 4.3 Exemplu de biomimetism
Pe baza aceloraşi studii privitoare la căţărarea şopârlei a fost realizat şi un microgripper
[58].
4.2.2. Sisteme de prehensiune cu acţionare bionică
În zilele noastre, prehensoarele tind să devină din ce în ce mai sofisticate, mai complexe,
căutând să răspundă unor cerinţe variate. O construcţie complexă implică însă costuri ridicate, de
neacceptat uneori într-un scenariu industrial competitiv [35]. Este motivul pentru care, în
general, pentru aplicaţii industriale curente se utilizează prehensoare simple şi fiabile, în timp ce
pentru scopuri de cercetare, dar nu numai, se propun soluţii complexe de mâini mecanice.
În figura următoare sunt prezentate câteva diferenţe între caracteristicile prehensoarelor
simple şi mâinile mecanice complexe [67].
Fig. 4.4 Comparaţie între caracteristicile prehensoarelor industriale şi mâinile mecanice
Cele mai importante caracteristici specifice unui prehensor industrial sunt forţa
dezvoltată şi rigiditatea structurală (care influenţează în mare măsură precizia de poziţionare).
Numărul mai mic de grade de mobilitate facilitează fiabilitatea unui asemenea prehensor şi, de
asemenea, contribuie la obţinerea unui preţ mai scăzut. Mâinile mecanice complexe se
caracterizează în schimb printr-o mai mare complianţă şi dexteritate, ceea ce le face utile în
aplicaţii de fineţe, asemănătoare cu comportamentul sistemelor naturale.
Un sistem artificial de prehensiune trebuie să asigure nu numai apucarea obiectului, ci şi
manipularea în siguranţă a acestuia. Astfel, în cazul unei roşii de exemplu, este necesar ca forţa
aplicată să aibă o mărime controlată, care să nu deterioreze obiectul apucat.
20
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Fig. 4.6 Prinderea cu forţă necontrolată/controlată a obiectului prehensat
Pornind de la exemplele de mai sus, rezultă faptul că soluţiile noi, inovative, bio-inspirate
de sisteme de prehensiune necesită echipamente uşoare, structurabile în mod flexibil şi cu un
raport sarcină utilă / greutate proprie mare, cu reglaje integrate ale poziţiei, control al forţelor,
oferite la un preţ avantajos. La ora actuală nu sunt disponibile sisteme de prehensiune care să
întrunească majoritatea acestor cerinţe.
Este motivul pentru care în cadrul acestei teze de doctorat se propune soluţia acţionării
sistemelor de prehensiune cu ajutorul muşchilor pneumatici, elemente bio-inspirate, uşoare,
compliante, comportamentul lor având un potenţial ridicat de obţinere a unor sisteme robotizate
performante.
4.3 Analiza unor noi soluţii constructive de sisteme de prehensiune
4.3.1 Aplicarea bionicii de analogie pentru selectarea unor noi variante de sisteme de
prehensiune
Teza de doctorat are drept obiectiv principal conceperea unui sistem de prehensiune
inovativ, bioinspirat, caracterul de noutate constând în modalitatea de acţionare - cu ajutorul
muşchilor pneumatici. În acest sens se apelează la principiile proiectării prin analogie, utilizând
abordarea bionică de tip top-down. O asemenea abordare presupune ca după enunţarea problemei
să se treacă la găsirea unor sisteme din natură care să furnizeze idei de soluţionare a scopului
propus. Câteva astfel de idei, preluate din lumea animalelor, sunt prezentate mai jos:
Tip de analogie Sistemul natural de prehensiune Sistemul artificial de prehensiune
Cioc de pasăre
Trompă de elefant
Mâna omului
Fig. 4.7 Idei de sisteme de prehensiune preluate din natură
21
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Din analiza exemplelor naturale de mai sus se pot desprinde câteva concluzii:
în funcţie de metoda de prehensiune, sistemele studiate sunt cu contact sau astringente;
în funcţie de tipul mişcǎrii executate de elementele finale, sistemele analizate sunt cu
mişcare de rotaţie (prehensoare unghiulare) şi cu mişcare liniarǎ (prehensoare paralele);
dupǎ numǎrul contactelor existente între prehensorul natural şi obiectse întâlnesc
exemple cu douǎ, cu trei sau cu mai multe zone de contact;
dupǎ tipul elementului de prehensiune, sistemele studiate sunt cu elemente rigide, sau
adaptive la forma obiectului prehensat.
În cazul motorului care se propune a fi utilizat pentru construcţia unui nou sistem de
prehensiune, acesta este de tip muşchi pneumatic, sistem bioinspirat, analog muşchilor
animalelor şi oamenilor.
4.3.3 Variante propuse de sisteme de prehensiune acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Utilizând muşchiul pneumatic drept element motor şi un mecanism de transmitere a
puterii bazat pe roţi dinţate, în cele ce urmeză sunt propuse pentru studiu patru variante de
sisteme de prehensiune.
Fig. 4.13 Varianta 1 (V1): Sistem de prehensiune paralel, asimetric, cu două bacuri mobile
Fig. 4.14 Varianta 2 (V2): Sistem de prehensiune paralel, simetric, cu două bacuri mobile
22
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Fig. 4.15 Varianta 3 (V3): Sistem de prehensiune paralel, asimetric, cu un bac mobil şi unul fix
Fig. 4.16 Varianta 4 (V4): Sistem de prehensiune unghiular, cu două bacuri mobile
23
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Capitolul 5
MODELAREA STRUCTURALĂ, CINEMATICĂ, STATICĂ, CONSTRUCTIVĂ ŞI
FUNCŢIONALĂ A VARIANTELOR PROPUSE DE SISTEME DE PREHENSIUNE
5.1. Modelarea structurală, cinematică şi statică a sistemului de prehensiune paralel,
asimetric, cu două bacuri mobile (V1)
În vederea acestei analize, în figura 5.1 sunt prezentate schema structurală şi cea bloc a
mecanismului obţinut prin cuplarea în paralel a angrenajelor ce generează mişcările necesare
prehensiunii [58].
Fig. 5.1 Schemele structurală şi bloc ale sistemului prehensor V1
Pe baza celor două tipuri de scheme se vor determina în continuare funcţiile de
transmitere ale vitezelor şi forţelor generate în sistem.
5.1.1 Caracterizarea structurală a mecanismului rezultat
Din cele două scheme ale sistemului analizat rezultă faptul că mecanismul este alcătuit
prin conectarea în paralel a două lanţuri cinematice (MI şi MII), ramificarea realizându-se la
nivelul roţii dinţate 2. Numărul legăturilor exterioare ale sistemului mecanic studiat este L = 3,
adică sunt disponibile trei intrări şi ieşiri în/din sistem. În acest caz este vorba despre o intrare în
sistem, cuplată la un motor, şi de două ieşiri. Intrarea în sistem este legătura exterioară a
mecanismului cu un motor (muşchi pneumatic de exemplu) şi se caracterizează printr-o viteză
(v1) şi o forţă (F1) care au acelaşi sens. Rezultă de aici faptul că puterea de intrare este pozitivă:
(5.1)
Cele două ieşiri din sistem reprezintă legăturile exterioare ale acestuia cu portbacurile
prehensorului; se caracterizează prin câte o viteză (v4 şi v7) şi prin câte o forţă (F4 şi F7), de
sensuri contrare. De aici rezultă faptul că puterile de ieşire sunt negative:
(5.2)
(5.3)
Gradul de mobilitate M al întregului sistem complex se calculează ca fiind:
(5.5)
Concluzii:
din cele L = 3 mişcări exterioare una dintre ele (M = 1) este independentă (v1), iar
celelalte două (L – M = 3 – 1 = 2) sunt dependente (v4 şi v7);
din cele L = 3 forţe exterioare una (M = 1) este dependentă (F1), iar celelalte două (L – M
= 3 – 1 = 2) sunt independente (F4 şi F7).
Din punct de vedere calitativ, pentru sistemul complex analizat se pot determina două
funcţii de transmitere a mişcării:
24
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
(5.6)
(5.7)
şi o funcţie de transmitere pentru forţe:
(5.8)
5.1.2 Determinarea funcţiilor de transmitere pentru viteze
Tabelul 5.1 Caracteristicile componentelor utilizate pentru V1
Cremaliera
1
Roata
dinţată 2
Roata
dinţată 3
Cremaliera
4
Roata
dinţată 5
Roata
dinţată 6
Cremaliera
7
Modul 1 mm
Nr. dinţi 30 20 20 20
Pornind de la valorile de mai sus, în continuare se vor scrie relaţiile rapoartelor de
transmitere, după cum urmează:
(5.9)
în care cu m s-a notat modulul danturii, cu ωi – viteza unghiulară a roţii dinţate i, iar cu Ri – raza
cercului de divizare a roţii dinţate i.
Rapoartele de transmitere i23, i25 şi i56 se calculează cu relaţiile:
(5.10)
(5.11)
(5.12)
iar rapoartele de transmitere i34 şi i67 se calculează cu relaţiile:
(5.13)
(5.14)
Semnul minus din dreptul liniei de fracţie în cazul primelor trei rapoarte de transmitere a
fost introdus deoarece la un angrenaj exterior cele două roţi se rotesc în sensuri opuse.
Pentru lanţul cinematic MI, raportul de transmitere global este:
(5.15)
iar pentru lanţul cinematic MII raportul de transmitere este:
(5.16)
Cu ajutorul relaţiilor anterioare pot fi scrise funcţiile de transmitere ale vitezelor:
(5.17)
(5.18)
În urma analizării ultimelor două relaţii se desprinde concluzia că, pentru datele de
intrare impuse, vitezele de ieşire v4 şi v7 sunt egale şi orientate în sensuri opuse.
5.1.3 Determinarea funcţiei de transmitere pentru forţe
Pentru această analiză vor fi considerate două situaţii:
A. Frecările sunt neglijate şi nu se ţine seama de efectele inerţiale ale maselor în mişcare;
B. Frecările nu sunt neglijate şi nu se ţine seama de efectele inerţiale ale maselor în mişcare.
25
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
În primul caz, relaţia de echilibru a puterilor este:
(5.19)
de unde:
(5.20)
Având în vedere faptul că F4şi F7 au orientări opuse, rezultă faptul că în modul, F1 se
calculează ca fiind suma celor două forţe.
În cazul în care frecările nu sunt neglijate, pentru determinarea funcţiei de transmitere a
forţelor, în calcule intervin şi randamentele fiecărui angrenaj în parte. Pentru aceasta, în
continuare, se va considera că randamentul unui angrenaj roată - roată este de 0,95, iar cel pentru
un angrenaj roată dinţată – cremalieră este de 0,97 [63]. Avem deci:
Randamentul unui agregat mixt exprimat în funcţie de coeficientul de repartiţie la ieşire
β se calculează cu următoarea relaţie [31]:
(5.23)
unde cu n s-a notat numărul de angrenaje aparţinătoare unei ramuri a întregului agregat.
Aplicând această relaţie pentru cazul concret analizat se poate scrie:
(5.24)
Ţinând cont de valorile randamentelor fiecărui angrenaj, impuse mai sus, pentru cele
două lanţuri cinematice MI şi MII, randamentele globale sunt:
Cu aceste valori se determină randamentul agregatului ca fiind η = 0,8709.
Determinarea randamentului agregatului mixt analizat se poate realiza şi pe cale
matriceală [31]. Astfel, unei scheme omogene-asociate îi corespunde un tablou care conţine
coeficienţii de repartiţie pe ramuri şi randamentele parţiale ordonate în conformitate cu modul de
legare a lanţurilor cinematice componente. Acest tablou poartă numele de matrice asociată şi,
pentru agregatul studiat se prezintă sub forma:
(5.25)
Numărul liniilor matricei corespunde numărului ramurilor agregatului, în timp ce
numărul coloanelor este egal cu numărul maxim al angrenajelor aflate pe ramuri + 1. A rezultat
astfel o matrice de tip 2 x 5.
Randamentul agregatului se va calcula în acest caz cu relaţia [31]:
(5.26)
în care au fost introduşi doi operatori, după cum urmează:
operatorul produs după linie :
(5.27)
operatorul sumă după coloană ΣC:
(5.28)
Pentru agregatul analizat se va calcula randamentul parcurgând următorii paşi:
26
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Cunoscând mărimea randamentului, pentru determinarea funcţiei de transmitere a forţelor
se porneşte de la relaţia:
(5.29)
şi
(5.31)
5.2 Modelarea structurală, cinematică şi statică a sistemului de prehensiune paralel,
simetric, cu două bacuri mobile (V2)
Schemele structurală şi bloc ale mecanismului obţinut prin cuplarea simetrică în paralel a
două lanţuri cinematice cu angrenaje sunt prezentate în figura 5.4 [69].:
Fig. 5.4 Schemele structurală şi bloc ale sistemului prehensor V2
Din punct de vedere calitativ, pentru prehensorul analizat se vor determina două funcţii
de transmitere a mişcării:
(5.34)
(5.35)
şi o funcţie de transmitere pentru forţe:
(5.36)
5.2.2 Determinarea funcţiilor de transmitere pentru viteze
Funcţiile de transmitere ale vitezelor
(5.47)
sau
27
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
(5.48)
5.2.3 Determinarea funcţiei de transmitere pentru forţe
A. Cazul în care frecările sunt neglijate şi nu se ţine cont de efectele inerţiale ale maselor în
mişcare.
Relaţia de echilibru a puterilor se scrie ca fiind:
(5.49)
de unde:
(5.50)
(5.51)
Ştiut fiind faptul că forţele F5şi F5’ au orientări opuse, rezultă faptul că în modul, F1 se
calculează ca fiind suma a celor două forţe.
B. Cazul în care frecările nu sunt neglijate şi nu se ţine seama de efectele inerţiale ale maselor
în mişcare.
La fel ca şi la analiza Variantei 1 de sistem de prehensiune, se vor considera aceleaşi
valori ale randamentelor (pentru angrenajul roată dinţată – roată dinţată η = 0,95, iar pentru
angrenajul cremalieră – roată dinţată η = 0,97) [63]. Vom avea deci:
Randamentul global este:
Funcţia de transmitere pentru forţe se determină pornind de la relaţia:
(5.53)
de unde:
(5.54)
Din relaţia de mai sus rezultă funcţia de transmitere a forţelor aferentă sistemului de
prehensiune studiat:
5.3 Modelarea structurală, cinematică şi statică a sistemului de prehensiune paralel,
asimetric, cu un bac mobil şi unul fix (V3)
În acest caz este vorba despre un agregat simplu, tip serie, format dintr-un singur lanţ
cinematic, în care puterea de intrare circula succesiv prin fiecare mecanism component, formând
o ramură de putere distinctă [70].
Schemele structurală şi bloc în baza cărora se va face analiza acestui agregat sunt
prezentate în figura 5.6.
5.3.1 Caracterizarea structurală a mecanismului rezultat
Din punct de vedere calitativ, pentru prehensorul analizat se va determina o funcţie de
transmitere a mişcării:
(5.57)
şi o funcţie de transmitere pentru forţe:
28
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
(5.58)
Fig. 5.6 Schemele structurală şi bloc ale sistemului prehensor V3
5.3.2 Determinarea funcţiei de transmitere pentru viteze
Funcţia de transmitere a vitezei va fi:
(5.61)
5.3.3 Determinarea funcţiei de transmitere pentru forţe
A. Cazul în care frecările sunt neglijate şi nu se ţine cont de efectele inerţiale ale maselor în
mişcare.
Relaţia de echilibru a puterilor se scrie ca fiind:
(5.62)
de unde:
(5.63)
Din relaţia de mai sus rezultă faptul că forţa dezvoltată de motor (muşchiul pneumatic)
este mai mică la nivelul elementului portbac, ceea ce are drept efect o scădere a capacităţii de
prehensiune a sistemului analizat.
B. Cazul în care frecările nu sunt neglijate şi nu se ţine seama de efectele inerţiale ale maselor
în mişcare.
La fel ca şi în cazurile analizelor efectuate pentru Variantele 1 şi 2, şi acum se va
considera aceeaşi valoare a randamentului pentru angrenajul cremalieră – roată dinţată η = 0,97
[63].
Fiind vorba despre un agregat serie cu o singură ramură de putere, coeficientul de
repartiţie la ieşire β = 1. În acest caz, relaţia (5.24) de calcul a randamentului va fi:
(5.64)
unde randamentul global η14 este:
Pentru determinarea funcţiei de transmitere a forţei se porneşte de la relaţia:
(5.65)
(5.66)
29
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
5.4 Modelarea structurală, cinematică şi statică a sistemului de prehensiune unghiular, cu
două bacuri mobile (V4)
Diferenţa conceptuală a acestui sistem de prehensiune în raport cu cele precedente constă
în faptul că elementele portbacuri descriu mişcări circulare, caracterizate prin vitezele unghiulare
ω2 şi ω2’. De asemenea, la cele două ieşiri ale sistemului avem momente (T2 şi T2’) şi nu forţe.
Cele două scheme, structurală şi bloc ale acestui sistem de prehensiune sunt redate în
figura 5.7, iar în tabelul 5.4 sunt date caracteristicile elementelor componente ale agregatului.
Fig. 5.7 Schemele structurală şi bloc ale sistemului prehensor V4
5.4.1 Caracterizarea structurală a mecanismului rezultat
Din punct de vedere calitativ, pentru prehensorul analizat se vor determina două funcţii
de transmitere a mişcării:
(5.69)
(5.70)
şi o funcţie de transmitere pentru forţe:
(5.71)
5.4.2 Determinarea funcţiilor de transmitere pentru vitezele unghiulare
Funcţiile de transmitere ale vitezelor unghiulare vor fi calculate cu relaţiile:
5.4.3 Determinarea funcţiei de transmitere pentru forţe şi momente
A. Cazul în care frecările sunt neglijate şi nu se ţine cont de efectele inerţiale ale maselor în
mişcare.
Pentru acest sistem de prehensiune relaţia de echilibru a puterilor este:
(5.74)
de unde:
(5.75)
B. Cazul în care frecările nu sunt neglijate şi nu se ţine seama de efectele inerţiale ale maselor
în mişcare.
30
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Pentru cele două angrenaje cremalieră – roată dinţată, randamentele vor fi considerate a
avea valoarea de 0,97 [63]:
Schema omogenă a agregatului este prezentată în figura 5.8:
Randamentul global va fi în această situaţie:
Funcţia de transmitere pentru forţe şi momente se determină pornind de la relaţia:
(5.77)
de unde:
(5.78)
Având calculată mai sus valoarea randamentului, funcţia de transmitere a forţelor şi
momentelor devine:
5.5 Modelarea constructivă şi funcţională a sistemelor de prehensiune analizate
Pentru modelarea, simularea şi controlul celor patru variante de sisteme de prehensiune a
fost ales mediul Matlab/Simulink. Simulink este integrat cu MATLAB®
, oferind acces imediat la
o gama vastă de unelte care facilitează dezvoltarea de algoritmi, analiza şi vizualizarea
simulărilor. Produse add-on extind programul Simulink pentru multipe domenii de modelare,
oferind unelte pentru design, implementare, verficare şi validare.
SimMechanics este un toolbox al mediului Simulink, utilizat pentru modelarea şi
simularea cu ajutorul blocurilora sistemelor mecanice şi a mişcărilor acestora, utilizând dinamica
newtoniană a forţelor şi momentelor.
5.5.1 Determinarea forţelor de prehensiune
Pentru dimensionarea sistemului de prehensiune acţionat cu ajutorul muşchilor
pneumatici, în continuare se vor impune următoarele date de intrare: masa obiectului: m = 0,7
kg; acceleraţia mişcării efectuate de sistemul prehensor + obiect: a = 5 m/s2; acceleraţia
gravitaţională: g = 9.81 m/s2; acceleraţia de oprire de urgenţă (deceleraţie): aS = 10 m/s
2;
coeficientul de frecare: µ = 0,2; coeficientul de siguranţă: S = 2,5.
Forţa necesară prehensiunii pentru diferitele faze ale operaţiunii de manipulare se
calculează cu ajutorul următoarelor relaţii:
Forţa de prehensiune pentru faza de ridicare a obiectului:
Forţa de prehensiune pentru faza de deplasare laterală:
Forţa de prehensiune pentru faza de oprire de urgenţă:
Selectarea motorului care va genera forţa de prehensiune (muşchiul pneumatic) se va
realiza în funcţie de forţa maximă calculată mai sus, adică 86,67 N. Cum toate variantele de
sisteme de prehensiune propuse au două bacuri, forţa care va trebui generată de muşchiul
pneumatic va fi dublă, de minimum 173,34 N (fără a lua în calcul randamentele lanţurilor
cinematice).
31
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
5.5.2 Alegerea muşchiului pneumatic
Pentru muşchiul pneumatic ales cu ajutorul programului MuscleSIM (MAS-10-45N-AA-
MC-O-ER-EG), diagrama caracteristică a forţelor este prezentată în figura 5.18.
Fig. 5.18 Caracteristica forţă – contracţie a muşchiului pneumatic MAS-10-45N-AA-MC-O-ER-
EG pentru trei niveluri ale presiunii aerului
Pornind de la graficul din figura de mai sus, pentru muşchiul pneumatic ales, la o
presiune de 6 bar, forţa maximă dezvoltată este de 522,5 N. Cum forţa necesară a fi obţinută la
nivelul bacurilor, calculată mai sus, este de 173,34 N, în situaţia unui raport de transmitere al
forţelor de 1:1, rezultă faptul că zona de utilizare a muşchiului pneumatic este cea haşurată în
figura 5.18.
5.5.3 Modele constructive şi funcţionale
5.5.3.1 Modelele constructiv şi funcţional ale sistemului de prehensiune paralel, asimetric,
cu două bacuri mobile (V1)
La această variantă constructivă muşchiul pneumatic este amplasat asimetric, astfel încât
structura metalică a sistemului de prehensiune să poată adăposti şi regulatorul proporţional de
presiune care comandă mişcarea motorului. În figura 5.19 se poate observa amplasarea
componentelor utilizate.
Fig. 5.19 Construcţia sistemului de prehensiune V1
Dimensiunea maximă a obiectului care poate fi apucat este de 52 mm. Conform
graficului din Fig. 5.18, pentru o cursă de 4 mm a muşchiului pneumatic, la o presiune a aerului
comprimat de 6 bar, forţa dezvoltată de muşchi va fi de 207 N. Cunoscut fiind faptul că pentru
cazul în care frecările nu sunt neglijate, funcţia de transmitere pentru forţe este:
32
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
adică:
Din calculele făcute în capitolele anterioare au rezultat randamentele lanţurilor
cinematice care compun sistemul de prehensiune analizat, după cum urmează:
Rezultă aşadar faptul că forţele F4 şi F7 nu sunt egale, ele aflându-se într-o relaţie de
forma:
Cum cele două forţe au sensuri opuse, din relaţiile de mai sus se pot determina valorile
lor:
Masa obiectului ce poate fi apucat şi deplasat în condiţii de siguranţa este, în acest caz:
Din calculele efectuate mai sus rezultă faptul că printr-o contracţie a muşchiului
pneumatic cu 4 mm, în sistemul de prehensiune se dezvoltă forţe capabile să susţină şi să
deplaseze un obiect cu o masă de 0,728 kg.
Modelul funcţional al acestei variante de sistem de prehensiune, obţinut cu ajutorul
modulului SimMechanics, conţine structura cinematică a ansamblului mecanic, precum şi
parametri dimensionali ai componentelor acestuia. În figura 5.20 este prezentat acest model.
Fig. 5.20 Modelul funcţional al sistemului prehensor V1
Prin aplicarea semnalului de tip sinusoidal descris mai sus, timp de 2 secunde, parametrii
de mişcare ai Cremalierei 1 sunt redaţi în figura 5.25.
Fig. 5.25 Poziţia, viteza şi acceleraţia mişcării Cremalierei 1
33
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Pentru cele două ramuri de tip serie (MI şi MII), legate în paralel, formate din angrenajele
Roata 2/Roata3, respectiv Roata 2/Roata5 şi Roata 5/Roata6, în figura 5.26 sunt arătate
variaţiile în timp ale poziţiilor unghiulare [º] (culoare linie Cyan), ale vitezelor unghiulare [º/s]
(culoare linie Magenta) şi ale acceleraţiilor unghiulare [º/s2] (culoare linie Galben) ale roţilor
dinţate respective.
Fig. 5.26 Variaţia în timp a unghiului de rotaţie şi, respectiv, a vitezelor şi acceleraţiilor
unghiulare ale componentelor angrenajelor sistemului de prehensiune
Se observă faptul că pentru Roata 2, la o deplasare a Cremalierei 1 cu 9 mm (cursa
maximă realizabilă de muşchiul pneumatic), unghiul maxim de rotaţie este de 34,37º, în timp ce
pentru Roţile 3, 5 şi 6, acest unghi este de 51,56º.
Elementele finale ale celor două ramuri sunt Cremalierele 4 şi 7. Evoluţiile în timp ale
deplasărilor [mm], vitezelor [mm/s] şi acceleraţiilor [mm/s2] lor sunt reprezentate grafic în
figura 5.27.
Fig. 5.27 Poziţiile, vitezele şi acceleraţiile Cremalierei 4 şi Cremalierei 7
5.5.3.2 Modelele constructiv şi funcţional ale sistemului de prehensiune paralel, simetric, cu
două bacuri mobile (V2)
În acest caz, întreaga construcţie este simetrică, ea nepermiţând însă amplasarea în
aceeaşi carcasă a elementelor de comandă pneumatică. În plus, lăţimea construcţiei este mai
mare. Modelul constructiv al acestui sistem şi câteva vederi ale sale sunt prezentate în figura
5.28.
34
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Fig. 5.28 Construcţia sistemului de prehensiune V2
După cum s-a mai menţionat, din graficul din figura 5.18 rezultă faptul că pentru
muşchiul pneumatic utilizat, la o contracţie a sa de 4 mm, forţa dezvoltată este de 207 N. Ţinând
cont de calculele efectuate anterior, funcţia de transmitere a forţelor aferentă sistemului de
prehensiune studiat este:
de unde:
Construcţia întregului ansamblu fiind simetrică, se poate aprecia faptul că cele două forţe
F5 şi F5’ sunt egale ca valoare, adică:
Masa obiectului care poate fi prehensat este, în acest caz:
Rezultă aşadar faptul că pentru o contracţie axială a muşchiului pneumatic de 4 mm, în
sistemul de prehensiune se dezvoltă forţe capabile să susţină şi să deplaseze un obiect cu o masă
de 0,710 kg.
La fel ca şi în cazul precedent, şi acest sistem de prehensiune este unul de tip mixt, având
cele două ramuri serie legate la nivelul cremalierei solidarizate cu muşchiul pneumatic. Şi în
acest caz motorul sistemului este reprezentat în modelul funcţional printr-un bloc de tip Sine
Wave cu aceleaşi caracteristici ca şi la varianta V1.
5.5.3.3 Modelele constructiv şi funcţional ale sistemului de prehensiune paralel, asimetric,
cu un bac mobil şi unul fix (V3)
Această variantă constructivă (Fig. 5.32) propune o soluţia asimetrică, cu un singur bac
mobil, prehensiunea realizându-se prin formă şi fricţiune. Nici în acest caz elementele de
comandă pneumatică nu pot fi amplasate în carcasa sistemului de prehensiune, fapt ce poate
constitui un dezavantaj.
Fig. 5.32 Construcţia sistemului de prehensiune V3
35
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Pornind de la aceeaşi contracţie axială a muşchiului pneumatic, de 4 mm, ceea ce implică
dezvoltarea unei forţe de 207 N, în continuare se va determina masa maximă a obiectului ce
poate fi apucat de acest sistem de prehensiune.
Funcţia de transmitere a forţei, determinată în capitolele anterioare, este:
ceea ce presupune că forţa F4 dezvoltată la contactul dintre bac şi obiect este:
Masa obiectului care poate fi prehensat va fi, în acest caz:
Pentru sistemul de prehensiune analizatîn acest caz, în cazul unei contracţii axiale a
muşchiului pneumatic de 4 mm, se dezvoltă forţe capabile să susţină şi să deplaseze un obiect cu
o masă de 0,592 kg.
5.5.3.4 Modelele constructiv şi funcţional ale sistemului de prehensiune unghiular, cu două
bacuri mobile(V4)
Modelul constructiv corespunzător celei de-a patra variante de sistem prehensor este
prezentat în figua 5.37. Deosebirea fundamentală faţă de variantele precedente constă în modul
de deplasare a bacurilor, ele executând sincron câte o mişcare de rotaţie în jurul axelor roţilor
dinţate. Nici această construcţie nu permite amplasarea elementelor de comandă pneumatică într-
o carcasă comună.
Fig. 5.37Construcţia sistemului de prehensiune V4
Forţele de contact dintre bacuri şi obiectul prehensat se calculează cu relaţiile:
Masa obiectului care poate fi prehensat este, în acest caz:
5.6 Analiza multicriterială pentru selectarea variantei optime de sistem de prehensiune
În cele ce urmează, pe baza calculelor efectuate în capitolele anterioare, se va efectua o
analiză multicriterială în urmă căreia se va aleage varianta optimă de sistem de prehensiune care
va fi executată fizic şi apoi testată.
Alegerea variantei optime presupune stabilirea unor criterii cuantificabile, ponderabile,
rezonabile, care să faciliteze acţiunea de selectare a unui sistem performant. Criteriile alese
pentru această analiză sunt prezentate mai jos:
36
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
1. masa obiectului prehensat (cu cât este mai mare cu atât este mai bine); (criteriul M);
2. posibilitatea amplasării într-un corp comun a aparaturii de comandă pneumatică (criteriul
P);
3. simplitate structurală (criteriul SS)
4. costul de fabricaţie (criteriul C);
5. tehnologicitate (criteriul T);
6. fiabilitate (criteriul F).
7. ergonomie (greutate, dimensiuni) - (criteriul E);
8. securitate în exploatare (criteriul S);
9. gradul de noutate (brevetabilitate – criteriul B).
Tabelul 5.13 Ordonarea variantelor constructive
Varianta 1 Varianta 2 Varianta 3 Varianta 4
Criteriu γi Ni Ni · γi Ni Ni · γi Ni Ni · γi Ni Ni · γi
M 2,13 9 19,17 9 19,17 7 14,91 7 14,91
P 2,92 10 29,2 7 20,44 7 20,44 7 20,44
SS 0,66 9 5,94 10 6,6 10 6,6 10 6,6
C 0,34 8 2,72 9 3,06 9 3,06 8 2,72
T 1,52 8 12,16 9 13,68 8 12,16 8 12,16
F 4,00 8 32 8 32 9 36 8 32
E 1,05 8 8,4 8 8,4 8 8,4 8 8,4
S 5,55 9 49,5 9 49,5 9 49,5 9 49,5
B 0,08 9 0,72 9 0,72 9 0,72 9 0,72
Punctaj final 159,81 153,57 151,79 147,45
Locul ocupat 1 2 3 4
În urma calculelor efectuate se observă faptul că suma cea mai mare (159,81)
poziţionează Varianta 1pe primul loc, ceea ce conduce la decizia de a executa fizic şi testa
experimental această soluţie constructivă de sistem de prehensiune.
5.7 Analiza cu element finit a variantei constructive optime (Varianta 1)
Pentru analiza cu element finit a sistemului de prehensiune studiat în această teză de
doctorat a fost folosit programul ANSYS, unul dintre cele mai răspândite, robuste şi stabile
programe de pre/post-procesare pentru analiza cu elemente finite. Analiza efectuată este una de
tip static, caracterizată prin deformaţii mici şi forţe aplicate static, independente de timp.
Programul este capabil să calculeze mai multe seturi de soluţii ce conduc la determinarea
câmpurilor de deplasări, de tensiuni şi a reacţiunilor pentru diverse pachete de constrângeri,
încărcări şi mase.
În cadrul etapei de modelare a domeniului geometric a fost conceput sistemul de
prehensiune, s-au descris forma, dimensiunile elementelor componente, materialele acestora şi s-
a precizat modul de asamblare a fiecărui reper.
Structura de susţinere a sistemului de prehensiune este realizată din aluminiu, cu
următoarele proprietăţi fizice importante: modulul lui Young (7 × 1010
N/m2), coeficientul lui
Poisson = 0,346, densitatea = 2710 kg/m3, coeficientul de dilatare termică = 2,36×10
-5 K
-1,
rezistenţa admisibilă = 9,5× 107 N/m
2. Muşchiul pneumatic s-a considerat a fi construit din
cauciuc cu duritatea de 70 Sh, modulul de elasticitate longitudinală E = 2 N/mm2, coeficientul
contracţiei transversale (Poisson) = 0,47 şi densitatea de 950 kg/m3. Roţile dinţate şi cremalierele
sunt realizate din ABS - Copolimer acrilonitril-butadien-stiren, având următoarele proprietăţi:
37
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
densitatea 1150 kg/m3, rezistenţa la tracţiune 50 N/mm
2, coeficientul de dilatare termică 9×10
-5
K-1
, modulul de elasticitate E = 2200 N/mm2.
Pentru început a fost realizată o analiză doar a muşchiului pneumatic folosit pentru
antrenarea prehensorului, acesta fiind încărcat succesiv cu presiuni de 1, 2, respectiv 5 bar.
Structura statică a muşchiului pneumatic generată de programul ANSYS este redată în figura
5.42.
Fig. 5.42 Structura muşchiului pneumatic
Parametrii analizei cu element finit sunt invariabili în timp, iar muşchiul pneumatic a fost
considerat ca fiind un sistem static.Generarea structurii cu elemente finite presupune
discretizarea modelului şi introducerea proprietăţilor elementelor finite. Discretizarea modelului
se realizează cu ajutorul reţelei de tip mesh, o reţea de noduri şi elemente de tip tetraedru.
Încărcând muşchiul cu aer la cele cele trei valori specificate mai sus, în figura 5.43 sunt
prezentate câmpurile de tensiuni von Mises în vedere izometrică.
p = 1 bar p = 2 bar p = 5 bar
Fig. 5.43 Câmpurile de tensiuni von Mises
În figurilede mai sussunt prezentate şi paletele de culori care însoţesc rezultatul analizei.
Valorile cele mai mici ale tensiunilor se află în partea de jos a paletei, cele maxime în partea de
sus a acesteia. Astfel, pentru cele trei niveluri ale presiunii aerului din interiorul muşchiului,
tensiunile sunt:
pentru p = 1 bar: σemin = 0,000586 MPa şi σemax = 0,691 MPa.
pentru p = 2 bar: σemin = 0,0011 MPa şi σemax = 1,3825 MPa.
pentru p = 5 bar: σemin = 0,00293 MPa şi σemax = 3,456 MPa.
Pentru toate cele trei situaţii, starea de tensiune maximă se află poziţionată în zona de
mijloc a muşchiului pneumatic. Valorile maxime ale tensiunilor sunt mult inferioare rezistenţei
materialului, aşa încât nu este periclitată buna funcţionare a muşchiului.
O constrângere care a fost impusă muşchiului pneumatic şi care nu corespunde
funcţionării reale a acestuia în cazul sistemului de prehensiune analizat este aceea prin care
amble capete ale acestuia sunt fixate la o bază. Pentru această situaţie, în figura 5.44 sunt
38
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
prezentate câmpurile deplasărilor pe direcţie radială ale muşchiului analizat. Şi în acest caz sunt
prezentate paletele de culori, deplasările minime fiind situate în zona inferioară a acestora.
Pentru cele trei valori ale presiunilor de încărcare s-au obţinut următoarele rezultate:
pentru p = 1 bar: dmin = 0,00 mm şi dmax = 0,012 mm.
pentru p = 2 bar: dmin = 0,00 mm şi dmax = 0,024 mm.
pentru p = 5 bar: dmin = 0,00 mm şi dmax = 0,060 mm.
Deformarea reală a muşchiul pneumatic în cazul concret analizat se realizează după o
direcţie axială şi una radială. Este cunoscut faptul că deplasarea după direcţia axială este
proporţională cu presiunea de alimentare, scurtarea muşchiului fiind de fapt cursa pe care capătul
liber al acestuia o efectuează.
p = 1 bar p = 2 bar
p = 5 bar
Fig. 5.44 Câmpurile de deplasări ale muşchiului pneumatic
Analiza cu element finit a vizat şi subsistemul portbacuri. În acest caz s-a considerat
faptul că fiecare portbac este încărcat cu o forţa de 100 N. Structura statică a acestui subsistem al
prehensorului este cea din figura 5.45.
Fig. 5.45 Structura statică a subsistemului portbacuri
39
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Câmpurile de tensiuni von Mises şi cele corespunzătoare deplasărilor se pot vedea în
figurile 5.46 şi 5.47.
Fig. 5.46 Câmpurile de tensiuni von Mises pentru elementele portbacuri
Fig. 5.47 Câmpurile de deplasări ale elementelor portbacuri
Din cele două figuri rezultă faptul că elementele portbacuri sunt subdimensionate. Astfel,
valoarea maximă a tensiunilor este de 269,73 MPa, semnificativ superioară rezistenţei admisibile
a aluminiului din care sunt confecţionate componentele. De asemenea, deplasările capetelor
acestor elemente sunt inacceptabil de mari (1,7457 mm).
După reproiectarea elementelor port-bacuri s-a realizat o nouă analiză cu element finit,
rezultatele fiind cele din figura 5.48.
Fig. 5.48 Ansamblul reproiectat al sistemului de prehensiune
40
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
PARTEA A III - A
STUDIUL PERFORMANŢELOR UNUI SISTEM DE PREHENSIUNE ACŢIONAT CU
AJUTORUL MUŞCHILOR PNEUMATICI
Capitolul 6
STUDII EXPERIMENTALE PRIVITOARE LA COMPORTAMENTUL MUŞCHILOR
PNEUMATICI
Studiul performanţelor muşchiului pneumatic se va realiza prin parcurgerea următorilor
paşi:
A. realizarea unui montaj experimental;
B. analiza evoluţiei în timp a principalilor parametri pneumatici la încărcarea/descărcarea cu
aer a muşchiului, precum şi a histerezisului manifestat de către acesta;
C. măsurarea forţelor dezvoltate de muşchiul pneumatic;
D. determinarea rigidităţii şi a complianţei muşchiului pneumatic.
6.1 Standul experimental
Determinarea performanţelor muşchiului pneumatic a fost realizată în cadrul
Laboratorului de Acţionări şi Automatizări Fluidice Festo al Departamentului de Inginerie şi
Management Industrial de la Universitatea Transilvania din Braşov. O vedere a standului utilizat
este prezentată în figura 6.1.
Fig. 6.1 Stand experimental pentru determinarea caracteristicilor muşchilor pneumatici
Au fost concepute două variante de scheme pneumatice destinate testării comportării
muşchiului pneumatic: una în care comanda de umflare a muşchiului este realizată cu ajutorul
unui distribuitor 3/2, iar alta în care se utilizează un regulator proporţional de presiune.
Necesitatea realizării celor două scheme a rezultat din dorinţa de a studia comportamentul
muşchiului pneumatic atât în condiţii de alimentare bruscă cu aer, cât şi în cele de alimentare
lentă în timp. Cele două scheme, realizate cu ajutorul programului FluidSIM-P, sunt prezentate
în figura 6.2.
Comandă cu distribuitor 3/2 Comandă cu regulator proporţional de presiune
Fig. 6.2 Schemele de alimentare a muşchiului artificial
41
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Componentele standului experimental sunt de provenienţă Festo. Pentru înregistrarea
datelor măsurate şi pentru trasarea diferitelor diagrame s-a utilizat programul FluidLab®-P V1.0,
de provenienţă Festo.
6.2 Studiul evoluţiei în timp a presiunii de umflare/dezumflare a muşchiului pneumatic
Schema pneumatică adoptată pentru aceste măsurători este aceea la care, pentru
alimentarea muşchiului, se utilizează un distribuitor 3/2. Măsurătorile au fost efectuate pentru
două situaţii, una în care muşchiul nu este solicitat de vreo sarcină exterioară şi alta în care
asupra muşchiului acţionează o forţa de tracţiune de 4,9 N ( o masă m = 0,5 kg atârnată de
muşchi). Muşchiul pneumatic a fost încărcat succesiv cu aer la presiuni cuprinse între 1 şi 6 bar,
cu un pas de 1 bar. În figura următoare sunt prezentate evoluţiile în timp ale presiunii la
încărcarea, respectiv descărcarea muşchiului pneumatic (m = 0 kg).
Fig. 6.3 Evoluţia în timp a presiunii din muşchiul pneumatic (m = 0 kg)
Din graficele de mai sus se poate observa faptul că atingerea valorii maxime stabile a
presiunii necesită un anumit interval de timp, numit în continuare durata umflării (Δtu), în timp
ce descărcarea muşchiului se realizează într-un alt interval, numit duratadezumflării (Δtd). În
figura 6.4 sunt definiţi cei doi timpi, fiind făcute următoarele notaţii: t1 = momentul de început
al încărcării muşchiului pneumatic; t2 = momentul atingerii valorii dorite (maxime) a presiunii de
încărcare; t3 = momentul de început al descărcării muşchiului pneumatic; t4 = momentul
dezumflării complete a muşchiului pneumatic. Valorile acestor timpii sunt extrase din fişierele
text pe care programul FluidLab®
-P V1.0 le furnizează pentru fiecare încercare în parte
(ANEXA 1).
Fig. 6.4 Intervalele de timp necesare umflării/dezumflării muşchiului pneumatic
42
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Tabelul 6.2 centralizează valorile obţinute pentru duratele umflǎrii, respectiv ale
dezumflǎrii, iar în figura 6.5 sunt prezentate diagramele de variaţie ale acestor mărimi odată cu
creşterea presiunii aerului.
Tabelul 6.2 Duratele de umflare/dezumflare ale muşchiului pneumatic (m = 0 kg)
Presiune
[bar]
t1
[s]
t2
[s] tu
[s]
t3
[s]
t4
[s] td
[s]
1 0.476 0.575 0.099 2.635 2.678 0.043
2 0.552 0.652 0.100 2.632 2.690 0.058
3 0.601 0.703 0.102 2.801 2.885 0.084
4 0.533 0.640 0.107 2.550 2.645 0.095
5 0.583 0.690 0.107 2.552 2.672 0.120
6 0.635 0.744 0.109 2.794 2.917 0.123
Din datele prezentate se observă faptul că odată cu mărirea presiunii, durata umflării
muşchiului pneumatic este nesemnificativ crescătoare (Δt = Δtu6 bar – Δtu1 bar = 0,010 s). În cazul
dezumflării muşchiului, timpul necesar eliminării aerului din acesta creşte odată cu mărirea
presiunii (Δt = Δtd6 bar – Δtd1 bar = 0,080 s). Diferenţa maximă de timp, la o anumită presiune,
dintre durata de umflare şi cea de dezumflare este de 0,056 secunde, manifestată la p = 1 bar.În
figurile 6.6 şi 6.7 sunt prezentate comparativ evoluţiile în timp ale presiunilor de umflare,
respectiv de dezumflare ale muşchiului pneumatic studiat.
Fig. 6.6 Evoluţia în timp a presiunii de umflare a muşchiului pneumatic
Fig. 6.7 Evoluţia în timp a presiunii de dezumflare a muşchiului pneumatic
Graficele din figura 6.3 şi fişierele text ataşate lor au scos în evidenţă şi faptul că odată ce
presiunea impusă a fost atinsă, în timp aceasta înregistrează mici fluctuaţii, de amplitudine
variabilă. Aceste fluctuaţii de presiune sunt cauzate de funcţionarea compresorului şi de natura
elastică a materialului din care este confecţionat muşchiul pneumatic. În figura 6.8 este arătată
variaţia în timp a presiunii la o încărcare de aproximativ 6 bar.
43
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Fig. 6.8 Fluctuaţiile de presiune din muşchiul pneumatic
Tabelul 6.3 centralizează valorile amplitudinilor variaţiilor presiunilor pentru diferitele
niveluri reglate cu ajutorul regulatorului de presiune cu manometru.
Tabelul 6.3 Amplitudinile variaţiilor de presiune (m = 0 kg)
p [bar] 1 2 3 4 5 6
pmax [bar] 1,064 2,041 3,027 3,994 4,980 5,957
pmin [bar] 1,055 2,021 3,008 3,975 4,961 5,928
Δp [bar] 0,009 0,020 0,019 0,019 0,019 0,029
Se remarcă faptul că la presiunea de 1 bar amplitudinea vibraţiilor este mică, ea
dublându-se la presiuni cuprinse între 2 şi 5 bar, crescând în continuare pâna la valori triple
pentru p = 6 bar. Indiferent însă de nivelul presiunii de lucru, amplitudinea acestor fluctuaţii de
presiune nu este semnificativă, neinfluenţând comportamentul sistemelor antrenate de muşchi
pneumatici.
Aceleaşi măsurători ca şi cele prezentate mai sus au fost făcute şi pentru cazul în care
muşchiul pneumatic este încărcat cu o sarcină exterioară de 4,9 N (m = 0,5 kg). Variaţiile în timp
ale presiunii la umflarea, respectiv dezumflarea muşchiului pneumatic sunt arătate în figura 6.9.
6.4 Determinarea histerezisului muşchiului pneumatic
Histerezisul, în cazul muşchilor pneumatici, este cauzat de frecările existente între tubul
elastic şi straturile de ţesătură care îl acoperă.Existenţa histerezisului constituie un dezavantaj
major al muşchilor pneumatici, ei neputând fi folosiţi pentru sisteme care necesită o precizie
mare de poziţionare, potrivit [79]. Montajul experimental adoptat pentru culegerea de date este
cel din figura 6.15.
Fig. 6.15 Montajul experimental pentru determinarea histerezisului contracţiilor axiale
Deplasarea capătului liber al muşchiului pneumatic este măsurată cu ajutorul unui ceas
comparator, cu acelaşi aparat măsurându-se şi deformarea pe direcţie radială. Au fost efectuate
două seturi de măsurători, una pentru cazul în care muşchiul este liber, neîncărcat cu sarcină
exterioară, şi un altul, la care muşchiul este solicitat de o forţă de tracţiune de 4,9 N.
p [bar]
44
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
a. Determinarea histerezisului în condiţiile în care muşchiului pneumatic nu este solicitat
de vreo sarcină exterioară (m = 0 kg)
Determinarea mărimii contracţiilor axiale s-a efectuat prin încărcarea cu aer a muşchiului
cu o presiune crescătoare în trepte, din 1 în 1 bar, până la 6 bar, urmată apoi de descărcarea sa,
tot din 1 în 1 bar, până la 0 bar.
Fig.6.16 Evoluţia contracţiei axiale a muşchiului pneumatic la modificarea presiunii aerului
Din figura de mai sus se observă faptul că valorile măsurate la dezumflare sunt mai mari
decât cele de la umflare. Valoarea maximă a ecartului dintre contracţiile muşchiului pneumatic
este de 1,2 mm, observată la presiunea de 3 bar. Aceste diferenţe observate ale contracţiei axiale
a muşchiului pneumatic, pentru o aceeaşi presiune, fac improprie utilizarea sa în aplicaţii de
poziţionare de mare precizie.
Deformaţiile radiale ale muşchiului pneumatic la încărcarea/descărcarea acestuia cu/de
aer sub presiune au fost determinate tot cu ajutorul unui ceas comparator, amplasarea acestuia
fiind prezentată în figura 6.17.
Fig. 6.17 Măsurarea deformaţiilor radiale ale muşchiului pneumatic
Fig. 6.18 Evoluţia diametrului muşchiului pneumatic cu variaţia presiuniiaerului
45
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Valorile măsurate indică faptul că în cazul dezumflării muşchiului pneumatic diametrele
succesive ale sale, pentru o anumită presiune, sunt mai mari decât la umflare. Discrepanţa cea
mai mare dintre diametrele măsurate se observă la presiunea de 3 bar, ecartul fiind în acest caz
de 0,98 mm.
b. Determinarea histerezisului în condiţiile în care muşchiului pneumatic este solicitat de o
sarcină exterioară de 4,9 N (m = 0,5 kg)
În acest caz, de capătul liber al muşchiului pneumatic a fost ataşată o masă de 0,5 kg,
care-l solicită la tracţiune. La fel ca şi în cazul precedent, au fost efectuate măsurători care
vizează contracţiile axiale ale muşchiului, precum şi deformaţiile radiale ale acestuia. În figura
6.19 sunt prezentate rezultatele care privesc contracţia axială a muşchiului pneumatic.
Fig.6.19. Evoluţia contracţiei axiale a muşchiului pneumatic la modificarea presiunii aerului
Şi în acest caz contracţiile axiale rezultate la umflarea muşchiului au valori mai mici
decât cele de la dezumflarea acestuia. Diferenţa dintre cea mai mare şi cea mai mică contracţie,
obţinută la o presiunea de 3 bar, este de 1,21 mm, asemănătoare cu cea din cazul la care
încărcarea muşchiului era nulă.
Făcând o comparaţie între valorile contracţiilor axiale obţinute în cele două situaţii
analizate (cu sau fără încărcare exterioară), se desprinde concluzia că în cazul existenţei unei
încărcări, deformaţiile axiale sunt cu până la 0,12 mm mai mari.
Modificarea diametrului muşchiului pneumatic la umflarea, respectiv dezumflarea sa, în
cazul aplicării unei sarcini exterioare, este studiată în continuare, curbele care descriu
histerezisul diametrului muşchiului fiind arătate în figura 6.20.
Fig. 6.20 Evoluţia diametrului muşchiului pneumatic cu variaţia presiuniiaerului
Experimentele efectuate au scos în evidenţă aceeaşi concluzie ca şi cea obţinută din
figura 6.18, şi anume faptul că diametrele la dezumflarea muşchiului sunt mai mari decât cele de 5,957 bar
46
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
la umflare, la o aceeaşi presiune de lucru. Pentru o presiune de 3 bar se obţine cel mai mare ecart
între cele două diametre (la umflare şi la dezumflare), el fiind de 0,85 mm.
Din compararea rezultatelor se observă faptul că în cazul aplicării unei sarcini exterioare
asupra muşchiului pneumatic, deformarea pe direcţie radială a acestuia este mai mică cu până la
0,19 mm.
6.5 Determinarea mărimii forţelor dezvoltate de muşchiul pneumatic
Montajul experimental utilizat pentru determinarea forţelor pe care muşchiul pneumatic
le dezvoltă pe măsură ce este încărcat cu aer la diferite presiuni este prezentat în figura 6.21.
Traductorul de forţă este ataşat capătului liber al muşchiului prin intermediul unei legături
mecanice.
Fig. 6.21 Măsurarea forţei dezvoltate de muşchiul pneumatic
Semnalele furnizate de traductorul de forţă sunt transmise prin intermediul unei unităţi
analogice de conexiuni şi a unei plăci de achiziţii de date digital/analogică tip EasyPort (Festo)
către un calculator, unde pot fi vizualizate cu ajutorul programului FluidLab-P (Festo).
Pentru determinarea tensiunilor furnizate de traductor şi, implicit, a mărimii forţelor pe
care muşchiul pneumatic le dezvoltă, acesta a fost încărcat cu aer, din 1 în 1 bar, până la valoarea
de 6 bar. Schema pneumatică utilizată în acest caz a fost cea cu distribuitor 3/2.
În figura 6.29 este prezentată variaţia forţelor dezvoltate de muşchiul pneumatic la
încărcarea respectiv descărcarea sa cu/de aer comprimat.
Fig. 6.29 Variaţia cu presiunea a forţei dezvoltate de muşchiul pneumatic la încărcarea şi apoi
descărcarea sa cu/de aer
Se observă faptul că forţele dezvoltate de muşchiul pneumatic nu au aceleaşi valori atunci
când alimentarea cu aer se realizează cu presiuni crescătoare sau descrescătoare, remarcându-se
un comportament de tip histerezis. Cu Fu s-au notat forţele rezultate în urma creşterii presiunii de
încărcare cu aer, iar cu Fd – forţele obţinute prin dezumflarea muşchiului pneumatic. Din grafic
rezultă că forţele dezvoltate de muşchiul pneumatic sunt mai mari atunci când alimentarea cu aer
se realizează prin creşterea presiunii.
5,928 bar
47
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Acest comportament al muşchilor pneumatici, de tip histerezis, presupune ca pentru
variatele aplicaţii în care ei sunt utilizaţi să fie necesară efectuarea în prealabil de măsurători care
să descrie exact caracteristicile lor funcţionale pentru diferite condiţii de alimentare cu aer.
O altă concluzie desprinsă din graficul din figura 6.29 este aceea că forţele dezvoltate de
muşchi sunt nule până la o presiune de 0,928 bar, în cazul alimentării cu o presiune crescătoare,
respectiv devin nule de la 1,279 bar în jos, în cazul descreşterii presiunilor.
În figura 6.34 este prezentat modul de variaţie al forţei dezvoltate de muşchi în funcţie de
contracţia axială a acestuia. Se remarcă faptul că la începutul mişcării valoarea forţei este
maximă (187,4 N), iar pe măsură ce contracţia muşchiului creşte, forţa devine din ce în ce mai
mică, atingând valoarea de 0 N la o deformare axială Δl = 7,41 mm.
Fig. 6.34 Variaţia forţei dezvoltate de muşchiul pneumatic în funcţie de contracţia sa axială
Programul CurveExpert Professional 2.0.3 oferă funcţia de regresie corespunzătoare
curbei afişată mai sus, după cum urmează (coeficientul de corelaţie = 0,999906):
(6.4)
Un actuator cu o rigiditate mare este capabil să deplaseze cu precizie o sarcină la o
anumită poziţie, după un traseu prestabilit. Odată ce această poziţie este atinsă, ea este menţinută
ferm, indiferent de mărimea forţelor externe care acţionează asupra actuatorului. Un actuator
compliant permite, pe de altă parte, deviaţii de la poziţia de echilibru, amplitudinea acestora
depinzând de mărimea forţelor externe [46].
Atunci când relaţia de dependenţă dintre forţa dezvoltată şi deplasare este una de tip
neliniar, rigiditatea actuatorului nu este constantă, putându-se vorbi în acest caz despre un
actuator cu rigiditate variabilă. Este şi cazul muşchiului pneumatic analizat.
Pornind de la relaţia (6.4), rigiditatea ka muşchiului pneumatic se calculează cu ajutorul
formulei [83]:
(6.5)
funcţie reprezentată grafic în figura de mai jos:
Fig. 6.36 Variaţia rigidităţii muşchiului pneumatic cu contracţia sa axială
Complianţa C a muşchiului pneumatic se defineşte a fi inversul rigidităţii şi se determină
cu relaţia:
48
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
(6.6)
a cărei reprezentare grafică este:
Fig. 6.37 Variaţia complianţei muşchiului pneumatic cu contracţia sa axială
Variaţiile rigidităţii şi ale complianţei muşchiului pneumatic în raport cu presiunea
aerului pot fi urmărite în figurile 6.38 şi 6.39.
Fig. 6.38 Variaţia rigidităţii muşchiului pneumatic cu presiunea
Fig. 6.39 Variaţia complianţei muşchiului pneumatic cu presiunea
Funcţia de regresie corespunzătoare curbei variaţiei rigidităţii cu presiunea este
(coeficient de corelaţie = 0,998861):
49
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
(6.7)
iar funcţia aferentă variaţiei complianţei cu presiunea este (coeficient de corelaţie = 0,998455):
(6.8)
Graficele de mai sus indică faptul că pe măsură ce presiunea creşte, rigiditatea muşchiului
pneumatic scade, iar complianţa sa creşte. O rigiditate scăzută înseamnă, în cazul unor variaţii de
sarcină, un timp de răspuns mai mare a sistemului şi, evident, o precizie a acestuia mai scăzută.
O complianţă crescută aduce însă avantajul unui comportament mai adaptiv la variaţiile forţelor
exterioare, muşchiului pneumatic absorbind uşor eventualele şocuri la care este supus.
Capitolul 7
STUDII EXPERIMENTALE PRIVITOARE LA COMPORTAMENTUL SISTEMULUI
DE PREHENSIUNE
7.1 Construcţia sistemului de prehensiune
Sistemul de prehensiune ales pentru realizare practică şi pentru efectuarea cercetărilor
experimentale este cel aferent Variantei 1, adică sistemul asimetric, cu două bacuri mobile.
Construcţia acestui sistem este prezentată în figura 7.1.
Fig. 7.1 Construcţia sistemului de prehensiune V1
În figura de mai sus sunt prezentate ambele soluţii de comandă ale sistemului, una dintre ele fiind aceea la care
distribuitorul 3/2 este integrat în structura prehensorului. Pentru cea de-a doua soluţie, regulatorul proporţional de
presiune avut la dispoziţie şi utilizat pentru experimentări (tip MPPES-3-1/4-6-010) are un gabarit care nu-l face apt
pentru integrarea în structura sistemului.
7.2 Măsurarea cursei reale efectuate de bacurile sistemului de prehensiune
În figura 7.3 este arătată schema de amplasare a ceasului comparator pe unul dintre
bacurile sistemului de prehensiune. Odată cu alimentarea cu aer comprimat a muşchiului
pneumatic, bacurile se apropie unul de celălalt, mărimile curselor efectuate de unul dintre ele,
pentru diferite presiuni de încărcare fiind prezentate în Tabelul 7.1. În acelaşi tabel sunt arătate şi
valorile curselor de retragere efectuate de bac, atunci când muşchiul pneumatic este descărcat de
presiune.
50
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Fig. 7.3 Metoda de măsurare a cursei efectuate de bacurile sistemului de prehensiune
În figura 7.4 este prezentată sub formă grafică evoluţia cursei bacului sistemului de
prehensiune în funcţie de presiunea de lucru.
Fig. 7.4 Cursa efectuată de un bac în funcţie de presiunea aerului, la umflarea, respectiv
dezumflarea muşchiului pneumatic
Este de remarcat faptul că până la o presiune de circa 1,3 bar, din cauza frecărilor
existente în întregul sistem, bacul este imobil, doar după depăşirea acestei valori începând cursa
de apropiere de obiectul de apucat. La fel se întâmplă şi la cursa de revenire, atunci când o
reducere a presiunii de la 6 bar către valori mai mici nu produce deplasarea bacului şi deci
eliberarea obiectului apucat. Doar începând de la o presiune uşor sub 3 bar are loc mişcarea
bacului spre poziţia iniţială, de repaos.
7.3 Măsurarea forţei reale dezvoltate de bacurile sistemului de prehensiune
Traductorul de forţă este fixat rigid de masa de lucru şi este ataşat unui bac al sistemului
de prehensiune. Montajul experimental este arătat în figura 7.9.
Fig. 7.9 Măsurarea forţei dezvoltate de un bac
51
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Pentru măsurarea forţelor dezvoltate de un singur bac, muşchiul pneumatic a fost încărcat
cu aer până la 6 bar cu ajutorul regulatorului proporţional de presiune. Programul FluidLab-P a
trasat graficul de variaţie în timp a tensiunii de ieşire furnizate de traductorul de forţă.
Fig. 7.10 Variaţia în timp a presiunii aerului şi a tensiunii furnizate de traductorul de forţă
Pe baza datelor furnizate în fişierul text aferent acestor determinări (ANEXA 4), în figura
7.11 este prezentată variaţia forţelor dezvoltate la un bac atunci când muşchiul pneumatic este
încărcat, respectiv descărcat cu/de aer.
Fig. 7.11 Variaţia cu presiunea a forţei dezvoltate de un bac al sistemului de prehensiune
La fel ca şi în cazul cursei efectuate de bacul sistemului de prehensiune, din tabelul şi din
graficul de mai sus se observă un puternic comportament de tip histerezis al forţei dezvoltate de
acesta. Se remarcă faptul că la încărcarea muşchiului cu aer forţa creşte începând cu presiunea de
1,318 bar, atingând valoarea maximă de 83,33 N la 6 bar. La descărcarea muşchiului de aer, forţa
se menţine la valoarea ei maximă până la 2,842 bar, după care scade la 0 N pentru o presiune de
0,176 bar.
Rezultatele obţinute în urma măsurării curselor efectuate şi a forţelor dezvoltatede un
bac, permit formularea următoarelor concluzii:
A. Situaţia în care presiunea creşte de la 0 la 6 bar:
forţa măsurată la nivelul bacului este nulă până la atingerea unei presiuni de prag de
1,318 bar;
începând cu această valoare, forţa devine crescătoare cu presiunea, până la atingerea
valorii maxime de 83,33 N;
cursa efectuată de bac este nulă până la acelaşi nivel al presiunii de prag (1,318 bar),
fapt firesc, cauzat de inexistenţa unei forţe;
peste această valoare a presiunii, cursa este crescătoare până la o valoare de 5,46
mm.
B. Situaţia în care presiunea scade de la 6 către 0 bar:
52
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
forţa măsurată la nivelul bacului rămâne maximă, de 83,33 N, până la atingerea
presiunii de 2,842 bar;
de la acestă valoare în jos a presiunii, forţa la bac se diminuează până la 0 N,
corespunzător unei presiuni de 0 bar;
pentru presiuni descrescătoare cuprinse în intervalul 6... ≈ 3 bar, cursa de retragere a
bacului este nulă (bacul rămâne în poziţia sa avansată, la cota 5,46 mm în raport cu
originea mişcării);
la scăderea în continuare a presiunii sub 3 bar, bacul începe mişcarea de retragere,
oprindu-se la o distanţă de 0,39 mm în raport cu originea.
Se remarcă faptul că orice variaţie a forţei produce o mişcare a bacului şi, de asemenea,
faptul că sistemul de prehensiune analizat este caracterizat printr-un comportament puternic
influenţat de histerezis. Histerezisul muşchiului pneumatic este cauzat de frecarea dintre ţesǎtura
protectoare şi tub, frecarea internă dintre fibrele ţesăturii, precum şi de deformarea non-elastică
a tubului interior [12], [88]. Acest dezavantaj al comportamentului întregului sistem presupune
că utilizarea unei acţionări cu muşchi pneumatic poate fi abordată doar în situaţii la care precizia
prinderii obiectelor nu este foarte ridicată.
Rezultatele experimentale obţinute permit şi determinarea randamentului global al
sistemului de prehensiune analizat şi compararea valorii rezultate cu cea calculată teoretic
(ηteoretic = 0,8709). Astfel, în funcţie de forţele măsurate, randamentul întregului sistem de
prehensiune este:
Această valoare a randamentului este foarte apropiată de cea obţinută pe cale teoretică.
7.4 Determinarea rigidităţii şi a complianţei sistemului de prehensiune
După cum s-a văzut în capitolele precedente, în cazul muşchiului pneumatic relaţia de
dependenţă dintre forţa dezvoltată şi deplasare este una de tip neliniar. Acest fapt presupune o
rigiditate variabilă a actuatorului şi, deci, o complianţă ajustabilă a acestuia.
Figura 7.16 prezintă câteva dintre principalele faze ale procesului de prehensiune,
respectiv apropierea de obiectul de apucat, iniţierea contactului cu acesta şi prinderea lui fermă
între cele două bacuri prin aplicarea unei forţe crescătoare.Pentru aceste faze este prezentat
profilul clasic al vitezelor bacurilor, precum şi forma dorită şi necesară a curbei care descrie
complianţa întregului sistem.
Fig. 7.16 Variaţia în timp a vitezei bacurilor şi a complianţei sistemului de prehensiune
Cele două grafice sugerează faptul că în absenţa contactului dintre bacuri şi obiect, între
momentele t0 şi t2, complianţa poate avea valori mai reduse, ceea ce permite o mai bună precizie
53
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
de poziţionare, dată de o rigiditate cu valori mai mari. Curba care descrie variaţia complianţei
trebuie să fie de tip concav, fapt ce permite o creştere mai accentuată a complianţei către
momentul iniţierii contactului bac – obiect.
Între momentele t2 şi t3, adică atunci când contactul a fost realizat, complianţa trebuie să
aibă valorile cele mai mari, asigurând astfel siguranţa prinderii obiectului, fără
deformarea/distrugerea acestuia.
Un actuator cu complianţă ajustabilă aşa cum este muşchiul pneumatic îşi poate adapta
comportamentul funcţional între două limite. Astfel, comportamentul său poate varia între unul
foarte rigid – necesar asigurării unei bune precizii de poziţionare – şi unul compliant, atunci când
cerinţa principală este siguranţa mişcării [5]. Folosirea unui muşchi pneumatic pe post de
actuator cu complianţă ajustabilă permite devieri de la poziţia de echilibru, mărimea acestora
depinzând de nivelul forţelor exterioare care-l solicită [46].
În figura 7.17 este prezentată variaţia forţei dezvoltate de un bac odată cu creşterea cursei
efectuate de acesta, la o presiune de 6 bar. Se remarcă faptul că la începutul mişcării valoarea
forţei este maximă (83,33 N), iar pe măsură ce bacul se deplasează către limita sa maximă, forţa
devine din ce în ce mai mică.
Fig. 7 17 Variaţia forţei dezvoltate de un bac pe lungimea cursei acestuia Fbac = f(c)
Rigiditatea sistemului analizat (k) se calculează cu ajutorul formulei [83]:
(7.6)
a cărei reprezentare grafică este cea din figura de mai jos:
Fig. 7.19 Rigiditatea sistemului de prehensiune = f (cursa bacului)
Complianţa C a sistemului de prehensiune se calculează ca fiind inversul rigidităţii:
(7.7)
54
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Fig. 7.20 Complianţa sistemului de prehensiune = f (cursa bacului)
Sistemul de prehensiune este caracterizat, conform figurilor de mai sus, printr-o rigiditate
în scădere şi o complianţă crescătoare pe măsură ce cursa efectuată de bac este tot mai mare şi
presiunea se majorează. La fel ca şi în cazul analizei comportamentului muşchiului pneumatic, şi
în acest caz, o asemenea evoluţie a rigidităţii şi a complianţei are drept urmări un timp de
răspuns mai mare a sistemului la variaţiile de sarcină şi, evident, o precizie mai scăzută.
În cazul unor sisteme de prehensiune destinate montajului, de exemplu, în situaţia în care
două piese care trebuie asamblate nu sunt perfect aliniate, un sistem compliant, cum este cel
prezentat în teză, aduce avantajul unui comportament adaptiv la situaţia concretă, permiţând
montajul fără să distrugă cele două componente.
Datele concrete obţinute prin măsurători permit, în continuare, definirea unor intervale de
forţe şi, respectiv, curse ale bacurilor, pentru care sistemul de prehensiune este indicat a fi
folosit. Astfel, în figura 7.23 este prezentată curba care descrie variaţia forţei dezvoltate de un
bac în funcţie de deplasarea sa. Este stabilită o zonă de interes a acestei diagrame, caracterizată
prin obţinerea unor forţe cuprinse între 50 şi 83,33 N, fapt ce presupune curse ale bacurilor de
până la 2 mm.
Fig. 7.23 Delimitarea zonei de interes în utilizarea sistemului de prehensiune
Pentru această zonă de lucru, masele obiectelor care pot fi apucate sunt cuprinse între 0,403 kg
(la o cursă de 2 mm) şi 0,673 kg (la o cursă de 0 mm).
55
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Capitolul 8
CONCLUZII ŞI CONTRIBUŢII PERSONALE
8.1 Concluzii generale
Teza de doctorat a avut ca obiective principale realizarea unor studii teoretice şi cercetări
experimentale privind posibilitatea acţionǎrii cu ajutorul muşchilor pneumatici a unui sistem de
prehensiune destinat roboţilor industriali. Lucrarea propune şi studiazǎ mai multe soluţii
constructive inovativede astfel de sisteme, care să asigure o prindere şi o manipulare sigură a
obiectelor fragile.
Cercetările teoretice şi experimentale efectuate pe parcursul elaborării tezei de doctorat
permit formularea unor concluzii, prezentate în continuare:
I. În urma studierii unor lucrǎri bibliografice de referinţǎ publicate pe plan mondial, prima
parte a tezei de doctorat a avut drept scop analiza stadiului actual privind construcţia sistemelor
de prehensiune. Paşii urmaţi au vizat urmǎtoarele aspecte:
analiza necesităţii construirii de sisteme de prehensiune pornind de la dinamica
numărului de roboţi vânduţi pe plan mondial;
analiza fluxurilor de comandă şi a fazelor necesare acţiunii de prehensiune;
definirea funcţiilor pe care le îndeplinesc sistemele de prehensiune;
stabilirea structurii generale a unui sistem de prehensiune;
evidenţierea unor variante constructive şi structurale de sisteme de prehensiune;
analiza principalelor metode de acţionare a sistemelor de prehensiune;
analiza criticǎ a stadiului actual privind construcţia sistemelor de prehensiune existente
pe piaţǎ.
Aceastǎ ultimǎ analizǎ a scos în evidenţǎ faptul cǎ acţionarea sistemelor de prehensiune
este fǎcutǎ în majoritatea cazurilor cu motoare electrice,acţionarea pneumaticǎ fiind utilizatǎdoar
pentru aplicaţiile la care forţele necesare au valori mai reduse, complianţa fiind însă o cerinţă
importantă.Utilizarea muşchilor pneumatici se aflǎ încǎ în stare de experiment, fiind cunoscute la
ora actuală doar câteva asemenea realizări. Acesta a fost motivul pentru care, în continuare, s-a
propus soluţia acţionǎrii unui sistem de prehensiune cu ajutorul muşchilor pneumatici liniari,
lucru ce a presupus:
studiul diferitelor variante constructive de muşchi pneumatici liniari;
studiul caracteristicilor muşchilor pneumatici liniari şi analiza avantajelor, respectiv
dezavantajelor pe care le prezintǎ;
o prezentare a câtorva aplicaţii tehnice ale muşchilor pneumatici, cu referire îndeosebi la
utilizarea lor pentru construcţia sistemelor de prehensiune.
În urma studiilor şi analizelor efectuate în prima parte a tezei de doctorat s-a propus
conceperea, construcţia şi studierea performanţelor unui sistem de prehensiune destinat roboţilor
industriali acţionat cu ajutorul muşchilor pneumatici liniari.
II. Cea de-a doua parte a tezei de doctorat şi-a asumat ca obiectiv principal efectuarea unor
studii teoretice privind posibilitatea acţionării cu ajutorul muşchilor pneumatici liniari a
sistemelor de prehensiune. În acest scop, în cele două capitole ale acestei pǎrţi s-au definit
principille şi etapele dezvoltării unor noi sisteme de prehensiune şi s-au elaborat şi studiat
modelele structurale, cinematice, statice, constructive şi funcţionale aferente celor patru variante
de sisteme propuse.
În capitolul 4 al tezei de doctorat au fost prezentate principiile şi etapele dezvoltării unor
noi sisteme de prehensiune. Metodica utilizată pentru dezvoltarea noilor sisteme s-a bazat pe
proiectarea prin analogie, un instrument de lucru puternic ce are drept obiective lărgirea
domeniului de inspiraţie în proiectare, creşterea numărului de variante constructive propuse şi, ca
rezultat, generarea unei baze de date de soluţii de sisteme de prehensiune utilizabile pentru
diferite aplicaţii.
56
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Pornind de la diferitele exemple furnizate de natură a rezultat faptul că soluţiile noi,
inovative, bio-inspirate de sisteme de prehensiune necesită echipamente uşoare, structurabile în
mod flexibil, cu un control al forţelor, oferite la un preţ avantajos. La ora actuală s-a constat că
nu sunt disponibile sisteme de prehensiune care să întrunească majoritatea acestor cerinţe. Este
motivul pentru care la finalul acestui capitol s-au propus patru variante de sisteme de
prehensiune acţionate cu muşchi pneumatici.
Capitolul 5 al tezei a avut drept obiective identificarea mărimilor de stare structurală,
cinematică şi statică ale mecanismelor cu axe fixe care intră în componenţa sistemelor de
prehensiune propuse anterior, precum şi în stabilirea proprietăţilor caracteristice ale acestor
mecanisme. În acest sens au fost concepute modelele structurale, cinematice, statice, constructive
şi funcţionale ale celor patru variante de sisteme de prehensiune. În baza schemelor structurale s-
au determinat gradele de mobilitate şi funcţiile de transmitere ale vitezelor şi ale forţelor
(momentelor) generate.
Modelarea constructivă şi funcţională a celor patru variante de sisteme de prehensiune a
presupus utilizarea mediilor CATIA, PROENGINEER şi MATLAB (SimMechanics).
Pentru definirea modelelor constructive au fost impuse câteva date de intrare cum ar fi
masa maximă a obiectului de apucat şi valorile acceleraţiilor mişcărilor de lucru. S-a avut în
vedere şi cerinţa ca sistemul propus să aibă un gabarit minim şi să fie cât mai uşor, fapt ce a
presupus utilizarea celui mai mic muşchi pneumatic existent la ora actuală pe piaţă. O altă
cerinţă impusă a fost şi aceea a integrării aparaturii pneumatice de comandă în construcţia
sistemului de prehensiune.
Pentru modelarea funcţională a celor patru variante de sisteme de prehensiune propuse a
fost utilizat programul Matlab R2008b (Simulink), modulul SimMechanics. Prin conceperea
unor modele multicorp s-au vizualizat poziţiile, vitezele şi acceleraţiile principalelor componente
ale lanţurilor cinematice.
Acest capitol conţine şi o analizǎ multicriterialǎ necesarǎ selectǎrii variantei optime de
sistem de prehensiune. Soluţia aleasǎ în urma acestei analize a fost aceea a unui sistem paralel,
asimetric, cu două bacuri mobile,care permite înglobarea într-o construcţie unică a regulatorului
proporţional de presiune.
III. Cercetǎrile experimentale efectuate în cea de-a treia parte a tezei de doctorat au avut în
vedere douǎ aspecte principale:
studierea performanţelor muşchiului pneumatic ales pentru acţionarea sistemului de
prehensiune;
studierea performanţelor sistemului de prehensiune în ansamblu.
Experimentele efectuate asupra muşchiului pneumatic au vizat determinarea timpilor de
răspuns ai acestuia la umflarea/dezumflarea sa, a consumului de aer, precum şi a mărimii
contracţiilor axiale şi a deformaţiilor radiale la încărcarea cu aer sub presiune. Rezultatele
obţinute au scos în evidenţǎ, printre altele, efectul de histerezis pe care muşchii pneumatici îl
prezintǎ. Histerezisul constituie un dezavantaj major al utilizării muşchilor pneumatici liniari, în
special în cazul aplicaţiilor care presupun obţinerea unor poziţionǎri de precizie.
Alte experimente au vizat determinarea mărimii forţelor dezvolate de muşchiul
pneumatic ales. S-a observat faptul că forţele dezvoltate de muşchiul pneumatic nu au aceleaşi
valori atunci când alimentarea cu aer se realizează cu presiuni crescătoare sau descrescătoare,
remarcându-se un comportament de tip histerezis.
Finalul capitolului 6 a avut drept obiective determinarea rigidităţii şi a complianţei
muşchiului pneumatic, două proprietăţi care permit una – o poziţionare precisă, iar cealaltă aduce
avantajul unui comportament adaptiv la variaţiile forţelor exterioare.
Al doilea set de cercetǎri experimentale a vizat studiul comportamentului şi a
performanţelor sistemului de prehensiune paralel, asimetric, cu două bacuri mobile. S-au efectuat
mai multe seturi de determinǎri experimentale şi analize, după cum urmează:
măsurarea cursei reale efectuate de bacurile sistemului de prehensiune;
măsurarea forţei reale dezvoltate de bacurile sistemului de prehensiune;
57
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
determinarea rigidităţii şi a complianţei sistemului de prehensiune.
Concluziile desprinse din aceste studii sunt urmǎtoarele:
în ceea ce priveşte mărimea cursei efectuate de bacuri şi a forţelor dezvoltate la nivelul
lor atunci când presiunea creşte de la 0 la 6 bar, s-au observat următoarele:
forţa măsurată la nivelul bacului este nulă până la atingerea unei presiuni de prag de
1,318 bar, pesteaceastă valoare forţa devenind crescătoare până la atingerea valorii
maxime de 83,33 N;
cursa efectuată de bac este nulă până la acelaşi nivel al presiunii de prag, fapt firesc,
cauzat de inexistenţa unei forţe;
peste această valoare a presiunii, cursa este crescătoare până la o valoare de 5,46
mm.
atunci când presiunea descreşte de la 6 către 0 bar, s-au observat următoarele:
forţa măsurată la nivelul bacului rămâne maximă, de 83,33 N, până la atingerea
presiunii de 2,842 bar. De la acestă valoare în jos a presiunii, forţa la bac se
diminuează până la 0 N, corespunzător unei presiuni de 0 bar;
pentru presiuni descrescătoare cuprinse în intervalul 6... ≈ 3 bar, cursa de retragere a
bacului este nulă (bacul rămâne în poziţia sa avansată, la cota 5,46 mm în raport cu
originea mişcării);
la scăderea în continuare a presiunii sub 3 bar, bacul începe mişcarea de retragere,
oprindu-se la o distanţă de 0,39 mm în raport cu originea.
sistemul de prehensiune se caracterizează printr-o rigiditate în scădere şi o complianţă
crescătoare pe măsură ce cursa efectuată de bac este tot mai mare şi presiunea se
majorează.
În încheierea Capitolului 7, pe baza rezultatelor experimentale obţinute, se face o definire
a unor intervale ale forţelor, respectiv curselor bacurilor, pentru care sistemul de prehensiune
este recomandat a fi folosit.
Ca o concluzie generală a cercetărilor cuprinse în teza de doctorat se poate afirma că
rezultatele obţinute dovedesc posibilitatea realizării unui sistem de prehensiune acţionat cu
muşchi pneumatici. Performanţele de care este capabil acest sistem îl recomandă pentru
aplicaţii la care precizia nu trebuie să fie foarte ridicată, dar la care siguranţa apucării
obiectelor fragile, fără a le deforma, trebuie să fie predominantă. Prin urmare, se poate afirma
că obiectivul principal al tezei, acela de a propune o nouǎ soluţie constructivǎ de sistem de
prehensiune, a fost îndeplinit.
8.2. Contribuţii personale
Originalitatea tezei de doctorat constǎ în caracterul inovativ al sistemului de
prehensiunepropus, mai exact al modalitǎţii de acţionare a acestuia - cu ajutorul muşchilor
pneumatici. Principalele contribuţii personale sunt sintetizate în cele ce urmează:
1. Prezentarea stadiului actual al realizǎrilor pe plan naţional şi internaţional în ceea ce
priveşte construcţia sistemelor de prehensiune destinate roboţilor industriali.
2. Efectuarea unei analize critice a principalelor modalităţi de acţionare a sistemelor de
prehensiune.
3. Studiul unei noi modalitǎţi de acţionare, cea cu muşchi pneumatici. S-au centralizat
informaţii privitoare la principalele tipuri constructive de muşchi, la caracteristicile
acestora, precum şi la posibilele lor aplicaţii industriale.
4. Enunţarea principiilor şi a etapelor dezvoltării unor noi sisteme de prehensiune.
5. Pornind de la principiile proiectării prin analogie s-au conceput patru variante de scheme
cinematice de sisteme de prehensiune cu acţionare bionică (muşchi pneumatici).
6. Caracterizarea structurală a celor patru variante de sisteme de prehensiune şi
determinarea funcţiilor de transmitere ale vitezelor şi forţelor (momentelor).
58
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
7. Conceperea modelelor constructive ale celor patru variante de sisteme de prehensiune
propuse şi definirea modelelor funcţionale corespunzătoare.
8. Efectuarea unei analize multicriteriale pentru selectarea variantei optime de sistem de
prehensiune.
9. Realizarea unui stand de testare a muşchilor pneumatici şi efectuarea de mǎsurǎtori
destinate determinării timpilor de răspuns ai acestora la umflarea/dezumflarea lor, a
consumului de aer, precum şi a mărimii contracţiilor axiale şi a deformaţiilor radiale la
încărcarea cu aer sub presiune Pe acest stand s-a putut studia şi fenomenul de histerezis
pe care-l manifestǎ muşchii pneumatici, precum şi rigiditatea şi complianţa manifestată.
10. Determinarea funcţiilor care definesc dependenţa forţelor dezvoltate de muşchiul
pneumatic de presiunea de alimentare, precum şi a relaţiilor rigidităţii şi complianţei
specifice actuatorului studiat.
11. Realizarea prototipului variantei optime de sistem de prehensiune acţionat cu un muşchi
pneumatic.
12. Determinarea funcţiilor care definesc dependenţa curselor efectuate de un bac şi a
forţelor la bac de presiunea de alimentare.
13. Determinarea funcţiilor corespunzătoare rigidităţii şi complianţei manifestate de sistemul
de prehensiune studiat.
14. Definirea intervalelor optime de lucru ale sistemului de prehensiune.
8.3. Dezvoltări viitoare
Neavând pretenţia de a fi epuizat subiectul, rezultatele obţinute în această lucrare se
doresc a fi o contribuţie la studiul şi optimizarea sistemelor de prehensiune ale roboţilor
industriali, precum şi la lărgirea cunoştinţelor tehnice în domeniu. Problematica abordată rămâne
deschisă studiului, rezultatele prezentate în cadrul acestei teze de doctorat putând constitui baza
unor viitoare direcţii de dezvoltare, cum ar fi:
construirea celorlalte trei variantede sisteme de prehensiune şi efectuarea de cercetări
experimentale pe ele;
găsirea unor soluţii de diminuare a efectelor histerezisului manifestat de muşchiul
pneumatic;
conceperea unui design atrăgător pentru sistem etc.
8.4. Valorificarea tezei
Rezultatele cercetărilor efectuate pe parcursul elaborării şi finalizării tezei de doctorat au
fost valorificate în timp:
prin publicarea unui număr de 6 lucrări ştiinţifice la conferinţe naţionale şi internaţionale;
propunerea unui brevet de invenţie.
59
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
BIBLIOGRAFIE (extras)
[5] Bicchi, A., Tonietti, G. - Fast and soft arm tactics: Dealing with the safety-performance
trade-off in robot arms design and control, IEEE Robotics and Automation
Magazine, vol. 11, no. 2, pp. 22–33, 2004.
[13] Christensen, B.T., Schunn, C.D. - The Relationship of Analogical Distance to
Analogical Function and Pre-inventive Structure: The Case of Engineering
Design. 2007, Memory & Cognition, 35(1), 29-38.
[20] Deaconescu, T., Deaconescu, A. - Study of Non-Anthropomorphic Pneumatic Muscle
Actuated Gripper. 6th
International Fluid Power Conference Dresden, Germania,
2008
[21] Deaconescu, A., Deaconescu Tudor - Contribution to the Behavioural Study of
Pneumatically Actuated Artificial Muscles. 6th
International Conference of
DAAAM Baltic Industrial Engineering, Tallinn, Estonia 2008, Vol. 1 pag. 215-
220.
[24] Deaconescu, T., Deaconescu, A., Petre, I. - Robotic Manipulating System Actuated by
Pneumatic Muscles. Proceedings of the Fifth International Conference on
Optimization of the Robots and Manipulators OPTIROB 2010, Călimăneşti,
Romania, Research Publishing Services Singapore
[25] Deaconescu, T., Deaconescu, A. - Pneumatic Muscle Actuated Gripper. International
MultiConference of Engineers and Computer Scientists Hong Kong 2011,
International Association of Engineers (IAENG), Proceedings vol. II, pag. 1305-
1308, Editura Newswood Limited Hong Kong.
[32] Dudiţă, F., Diaconescu, D.V. – Curs de mecanisme. Fascicula 3. Cinematica
mecanismelor cu roţi dinţate. Universitatea din Braşov, 1984.
[35] Fantoni, G., Gabelloni, D.,Tilli, J. - How to design new grippers by analogy. Department
of Mechanical, Nuclear and Production Engineering, University of Pisa, Report,
2012.
[37] Festo. PowerGripper – Research project for the development of new gripper systems.
http://www.festo.com/cms/en_corp/12728.htm
[46] Ham Van, R., Sugar, T.G.,Vanderborght, B., Hollander, K. W., Lefeber D.– Compliant
actuator Designs. IEEE Robotics & Automation Magazine, September 2009.
[47] Hesse, S. - Grippers and their applications. Blue Digest on Automation. © 2000 by
Festo AG & Co., 2004.
[62] Monkman, G. J., Hesse, S., Steinmann, R., Schunk,H.- Robot Grippers. WILEY-VCH
Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2007, ISBN: 978-3-527-40619-7
[66] Negrea D., Deaconescu T. - Study on the Pneumatic Actuation of Gripping Systems.
Proceedings of the 6th
International Conference on Manufacturing Engineering,
Quality and Production Systems (MEQAPS '13), Braşov June 2013, pag. 66 – 70.
[67] Negrea D., Deaconescu T., Deaconescu A. - Principles and Stages of New Gripper
Systems Development. International Conference on Economic Engineering and
Manufacturing Systems, ICEEMS 2013, Braşov, Revista RECENT Vol.
14(2013), Nr. 4(40), pag. 301 – 306.
[68] Negrea, D., Deaconescu, A., Deaconescu, T. - Actuation by Pneumatic Muscles of a
Parallel Asymmetric Gripper System. 2014 International Conference on
Manufacturing and Industrial Technologies (ICMIT 2014), Shanghai, China, 27-
28 March 2014, Applied Mechanics and Materials Vols. 548-549, pp 943-947,
Trans Tech Publications, Switzerland,
doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.548-549.943.
[69] Negrea, D., Deaconescu, T., Deaconescu, A. -Symmetrical Pneumatic Muscle Actuated
Gripper System with Two Mobile Jaws. 2014 International Conference on
60
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Mechatronics, Manufacturing and Automation (ICMMA), Singapore, 19-20
February, Applied Mechanics and Materials Vols. 541-542 (2014) pp 852-856,
Trans Tech Publications, Switzerland,
doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.541-542.852.
[70] Negrea, D. - Pneumatic Muscle Actuated Parallel Asymmetric Gripper System with a
Mobile and a Fixed Jaw. IManE 2014 International Conference. May 29-30,
2014, Chişinău-Republic of MOLDOVA.
[71] Negrea, D., Deaconescu, A., Deaconescu, T. - Constructive and Functional Modelling
of a Pneumatic Muscle Actuated Symmetric Gripper System with Two Mobile
Jaws. IManE 2014 International Conference. May 29-30, 2014, Chişinău-
Republic of MOLDOVA.
[72] Niku, S. – Introduction to Robotics. Analysis, Control, Applications. John Wiley and
Sons Inc. New York, 2011
[79] Petre, I. - Cercetări privind echipamentele de reabilitare a articulaţiilor portante
acţionate cu ajutorul muşchilor pneumatici. Tezǎ de doctorat. Universitatea
Transilvania din Braşov, 2012.
[94] Stareţu, I. – Sisteme de prehensiune. Editura Lux Libris Braşov, 2010.
[96] Tae Myung Huh, Yong-Jai Park, Kyu-Jin Cho, Design and Analysis of a Stiffness
Adjustable Structure Using an Endoskeleton. International Journal of Precision
Engineering and Manufacturing Vol. 13, No. 7, pp. 1255-1258 JULY 2012.
[103] World Robotics. Industrial Robots 2013. www.worldrobotics.org
61
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul
muşchilor pneumatici
Rezumat
Teza de doctorat, prin tematica ei, se înscrie în domeniul preocupărilor existente pe plan
mondial privind construcţia roboţilor industriali, cercetările fiind orientate spre găsirea unor
soluţii constructive inovative de sisteme de prehensiune. Lucrarea îşi propune să contribuie, prin
cercetări teoretice şi experimentale, la conceperea unui nou tip de sistem de prehensiune, acţionat
cu un muşchi pneumatic liniar.
Teza este axată pe următoarele direcţii de cercetare:
1. Realizarea de studii şi cercetări teoretice şi experimentale privind posibilitatea acţionǎrii
cu ajutorul muşchilor pneumatici liniari a unui sistem de prehensiune destinat roboţilor
industriali.
2. Cercetări asupra performanţelor muşchilor pneumatici.
3. Obţinerea unei soluţii constructive inovative, compliante, pentru un sistem de
prehensiune care să asigure o manipulare în siguranţă a obiectelor fragile, fără
deformarea acestora.
Ca o concluzie generală a cercetărilor cuprinse în teza de doctorat se poate afirma că
rezultatele obţinute dovedesc posibilitatea realizării unui sistem de prehensiune acţionat cu
muşchi pneumatici. Performanţele de care este capabil acest sistem îl recomandă pentru aplicaţii
la care precizia nu trebuie să fie foarte ridicată, dar la care siguranţa apucării obiectelor fragile,
fără a le deforma, trebuie să fie predominantă. Prin urmare, se poate afirma că obiectivul
principal al tezei, acela de a propune o nouǎ soluţie constructivǎ de sistem de prehensiune, a fost
îndeplinit.
S-au redactat şi publicat 6 lucrari ştiintifice în domeniul tezei, s-au conceput
documentaţiile necesare pentru un brevet de invenţie, deja înregistrate la OSIM şi s-au identificat
noi direcţii de cercetare ulterioară.
Research concerning the gripper systems of industrial robots actuated by pneumatic
muscles
Abstract
The PhD thesis, by its topic, is part of current worldwide research oriented towards
identifying innovative gripper systems for industrial robots. The paper aims at contributing by
theoretical and experimental research to the development of a new type of gripper system
actuated by a linear pneumatic muscle.
The thesis is built on three main directions of research:
1. Theoretical studies and experimental research concerning the possibility of actuating an
industrial robot gripper system by means of linear pneumatic muscles.
2. Study of pneumatic muscle performance.
3. Development of an innovative and compliant constructive solution for a gripper system
that ensures safe manipulation of fragile objects avoiding deterioration.
As a general conclusion of the conducted doctoral research it can be asserted the obtained
results prove the possibility of developing a pneumatic muscle driven gripper system. The
performance of such a system lends it eligible for applications that are not primarily focused on
positioning precision, but on the gripping safety of fragile objects that should not be deformed.
Consequently the main objective of the thesis, of developing a new constructive solution for a
gripper system can be deemed attained.
During the period of the PhD research 6 scientific papers in the field addressed by the
thesis were devised and published. The documentation for an invention patent was filed with
OSIM (the State Agency for Inventions and Trademarks) and avenues of further research were
identified.
62
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Curriculum Vitae
Informaţii personale
Nume/ Prenume ŢÂRLIMAN ( căs. NEGREA) DOINA
Adresa Str: Lungă ,nr 52,ap.6, 2200, Braşov, România
E-mail mailto:[email protected]
Naţionalitate Roman
Data naşterii 30.10.1977
Telefon
0741263888
Experienta profesionala
Perioada
Ocupaţia/Funcţia
Responsabilităţi Numele şi adresa angajatorului
Perioada
Ocupaţia/Funcţia
Responsabilităţi Numele şi adresa angajatorului
Perioada
Ocupatia/Functia
Responsabilităţi Numele şi adresa angajatorului
Mai 2014 - prezent
Inginer Constructor
Întocmire devize de lucrari, situaţii de lucrari achiziţii materiale
SC GOTIC SA Braşov
August 2013 – Mai 2014
Inginer Constructor
Întocmire devize de lucrari, logistică
SC PERSPECTIVES CONSTRUCTIONS INVEST SRL , Bucuresti
May 2012- august 2013
Inginer Constructor
Logistică, supply –chain, manager proiect
SC SCORILLO INTERCOM SRL, Braşov
Perioada
Ocupaţia/Funcţia
Responsabilităţi Numele şi adresa angajatorului
Educaţie şi formare
2007 – 2012
Inginer
Întocmire devize de lucrări
SC ICCO CONSTRUCT SRL - Braşov
Technical Department
Perioada 2008 – 2011
Diploma obţinută Inginer Constructor
Numele Institutiei Facultatea de Construcţii UNIVERSITATEA”TRANSILVANIA” - Braşov
1996 – 2001
Inginer stiinta materialelor
Facultatea Ştiinta şi Ingineria Materialelor
UNIVERSITATEA”TRANSILVANIA” - Braşov
LIMBA
Limbi străine cunoscute Engleza-Intermediar, Italiana - internediar
Aptitudini şi competenţe personale Cunoştiinţe operare PC ( Excel, Power Point , Autocad,Windev, Doclib, Intelsoft)
63
Cercetări privind sistemele de prehensiune ale roboţilor industriali acţionate cu ajutorul muşchilor
pneumatici
Teza de doctorat –Rezumat
Curriculum Vitae
Personal information
Name/ Surname ŢÂRLIMAN ( căs. NEGREA) DOINA
Adress Str: Lungă ,nr 52,ap.6, 2200, Braşov, România
E-mail mailto:[email protected]
Nationality Roman
Birth date 30.10.1977
Phone
0741263888
Professional Experiences
Period
Occupation
Main Responsabilities
Name and the adress of the employer
Period
Occupation
Main Responsabilities
Name and the adress of the employer
Period
Occupation
Main Responsabilities
Name and the adress of the employer
May 2014 - present
Constructions Engineer
Cost estimator, materials acquisitions
SC GOTIC SA Brasov
August 2013 – May 2014
Constructions Engineer
Cost estimator, materials logistics
SC PERSPECTIVES CONSTRUCTIONS INVEST SRL , Bucuresti
May 2012- august 2013
Constructions Engineer
Logistics, supply –chain, project manager
SC SCORILLO INTERCOM SRL, Braşov
Period
Occupation
Main Responsabilities
Name and the adress of the employer
Education
2007 – 2012
Engineer
Cost estimator
SC ICCO CONSTRUCT SRL - Braşov
Technical Department
Period 2008 – 2011
Qualification Civil Engineer
Institution name Faculty of Civil Engineering
TRANSILVANIA UNIVERSITY - Braşov
1996 – 2001
Material Science Engineer
Faculty of Materials Science
TRANSILVANIA UNIVERSITY - Braşov
LANGUAGES
Foreign languages English–Intermediate , Italian -Intermediate
Personal skills and competences PC Knowledge ( Excel, Power Point , Autocad,Windev, Doclib, Intelsoft)