Proiectarea unui gripper poate fi realizată în conformitate cu multe concepte și metode de proiectare posibile (Wolf et al. 2005; Ceccarelli și Gradini 1992). Una dintre principalele probleme este de a determina un mecanism de transmisie adecvat. Conform studiilor statistice, 60-70% dintre obiectele cu forme cilindrice, paralelipipedice și piramidale pot fi prinse folosind două sau trei degete (Monkman et al. 2007). Acesta este motivul pentru care prinderile cu două și trei degete sunt destul de comune în aplicațiile industriale. Prin urmare, această secțiune se va concentra pe introducerea mecanismelor de transmisie a gripperelor cu două sau trei degete.

Mecanismele gripperelor mecanice

Clasificarea mișcării degetelor

În general, deschiderea și închiderea degetelor gripperului pot fi acționate prin mișcare de pivotare, liniară sau de translație.

Mișcare de pivotare

În această mișcare, rotația degetelor este efectuată cu punctele de pivotare fixe ale gripperului pentru a asigura acțiuni de deschidere și închidere. Un mecanism de legătură este adesea folosit pentru realizarea acestei mișcări. Câteva dintre exemplele tipice cu puncte fixe de pivotare sunt prezentate în Fig. 6 (Chen 1982).

Mișcare liniară sau de translație

Figura 7 prezintă câteva structuri tipice ale gripperelor cu mișcare liniară sau de translație. În timpul mișcării liniare, șinele de ghidare sunt folosite pentru a deplasa degetele paralele între ele pentru închidere și deschidere. În mișcarea de translație, degetele sunt menținute în orientare paralelă. Ca și în cazul mișcărilor de pivotare, mecanismele de legătură sunt utilizate pentru acționare.

Mecanisme de acționare

Acţionarea mişcării degetelor poate fi realizată de oricare dintre aceste tipuri cinematice: legătură, şurub, angrenaj şi cremalieră, frânghie şi scripete sau acţionare cu came.

Acţionare cu legătură

O legătură este un ansamblu de legături conectate prin articulații pentru a gestiona forțele și mișcarea. Modelul de acționare cu legătură ajută la aflarea conversiei forței de intrare a gripperului în forța de prindere, a timpului necesar pentru a acționa gripperul și a capacității maxime de a deschide degetul. Există multe modele cinematice posibile, iar unele dintre ele sunt prezentate în Fig. 8 (Chen 1982).

Acționare cu șurub

Gripperul acţionat de tip şurub (Fig. 9) constă dintr-un şurub conectat cu un bloc filetat. Pentru a roti șurubul, se folosește un motor împreună cu un dispozitiv de reducere a vitezei. Dacă șurubul este rotit într-o direcție, blocul filetat este deplasat într-o direcție. În mod similar, blocul filetat se mișcă în direcția opusă dacă șurubul este rotit în cealaltă direcție. Deoarece blocul filetat este atașat cu gripperul, face ca degetele să se deschidă și să se închidă.

Acţionarea cu angrenaj şi cremalieră

În această acționare, angrenajul și cremaliera sunt conectate cu un piston, care asigură o mișcare de tip liniar. Cele două angrenaje parțiale ale pinionului sunt antrenate atunci când cremaliera este deplasată. Deoarece este legată de gripper, deschiderea și închiderea degetelor sunt realizate. Câteva exemple de acest tip de mecanism sunt prezentate în Fig. 10.

Acționare cu frânghie și scripete

În această acționare, este necesar un dispozitiv de tensionare pentru a controla tensiunea frânghiei și a o menține întinsă în timpul mișcării în scripete. Când scripetele este activat într-o direcție pentru deschiderea gripperului, dispozitivul de tensionare va permite modificarea lungimii frânghiei menținând în același timp tensiunea. În mod similar, gripperul este închis prin activarea scripetelui pe cealaltă direcție. Figura 11 ilustrează două mecanisme de gripper acționate de frânghie și scripete.

Acționare cu camă

Ca o formă de gripper acționat de legături, tipurile de acționare cu came au o gamă largă de modele pentru deschiderea și închiderea degetelor de prindere, așa cum se arată în Fig. 12. Un tip (Fig. 12a) este descris pe scurt aici. Un gripper acţionat de camă cu urmăritor încărcat cu arc poate fi utilizat pentru a oferi acţiuni de deschidere şi închidere a degetelor. Funcția arcului este de a forța gripperului să se închidă dacă cama este mișcată într-o direcție, în timp ce mișcarea camei pe cealaltă direcție determină deschiderea gripperului. Acest tip este util pentru menținerea pieselor de lucru de diferite dimensiuni (Crisman et al. 1996).

Există și alte mecanisme diverse, de exemplu, mecanisme cu diafragmă sau vezică expandabilă (Robotics Bible 2011; Mock 2009), care sunt umflate sau dezumflate pentru a deschide și închide degetele. Pentru mai multe informații despre alte tipuri de acționare de prindere, cititorii pot consulta cartea „Robot Grippers” (Monkman et al. 2007).

Mecanisme de prindere adaptive (grippere subacționate)

Modelul de prindere adaptiv adoptă adesea principiul mecanismelor subacționate. Un mecanism subacționat este definit ca unul care are mai puține dispozitive de acționare decât DOF-urile sale (Laliberte și Gosselin 1998; Belter și colab. 2011; Odhner 2012; Aukes și colab. 2012; Laliberte și colab. 2002). Conceptul de subacționare permite gripperelor să învelească obiectele care urmează să fie prinse și să se adapteze automat la forma, dimensiunea sau poziția lor chiar și cu un singur actuator și fără strategii complexe de control. În timp ce un deget se închide pe un obiect, configurația degetului, în orice moment, este determinată de constrângerile externe asociate cu obiectul. Când obiectul este prins complet, forța aplicată la actuator este distribuită între articulațiile degetelor (falange).

Există o mare diversitate de dispozitive mecanice care permit unei mâini să se adapteze la geometria unui obiect. În general, o mișcare subacționată poate fi implementată prin următoarele tipuri: (a) diferențială (Birglen și colab. 2008; Siciliano și Khatib 2008), (b) conformă (Peerdeman și colab. 2013; Odhner și Dollar 2011), (c) autoblocare selectivă (Herder și Kragten 2010; Belter și Dollar 2011) sau (d) o combinație a acestor trei proprietăți (Krut și colab. 2010; Odhner și colab. 2013).

Principiul de bază al adaptabilității

Mecanisme diferențiale

Figura 13 ilustrează un concept de subacționare printr-un mecanism diferențial (Laliberte și Gosselin 1998; Laliberte și colab. 2002) care are o intrare și două ieșiri. Degetul este acționat prin legătura inferioară, așa cum se arată prin săgeata din figură. Deoarece există două DOF și un actuator, trebuie utilizat un element elastic (două minus unul). În exemplul de faţă, un arc de extensie tinde să menţină degetul complet extins. O limită mecanică este utilizată pentru a menține falangele aliniate sub acțiunea acestui arc atunci când nu sunt aplicate forțe externe asupra falangelor. Secvența mișcării falangelor este următoarea:

(a) Degetul este în configurația sa inițială și nu sunt prezente forțe externe. Degetul se comportă ca un singur corp rigid în rotație în jurul unui pivot fix.

(b) Falanga proximală face contact cu obiectul.

(c) A doua falangă se mișcă în raport cu prima – a doua falangă se îndepărtează de limita mecanică – și degetul se închide pe obiect, deoarece falanga proximală este constrânsă de obiect. În această fază, actuatorul trebuie să producă forța necesară extinderii arcului.

(d) În cele din urmă, ambele falange sunt în contact cu obiectul, iar degetul a finalizat faza de adaptare a formei. Forța de acționare este distribuită între cele două falange în contact cu obiectul.

Elemente conforme

Figura 14 prezintă un exemplu de utilizare a elementului conform pentru a obține caracteristica adaptivă (Siciliano și Khatib 2008). Arcul (elementul conform) conferă extensibilitate tendonului. Permite decuplarea mișcării dintre prima și a doua legătură atunci când o forță externă este aplicată pe cea distală, oferind posibilitatea de a se potrivi formei obiectelor. O sarcină de proiectare este alegerea rigidității elementului deformabil pentru a obține în același timp o prindere puternică și o bună adaptabilitate la formă.

Dispozitiv de autoblocare selectivă

În această strategie, mișcarea generată de un singur motor este transmisă și distribuită mai multor articulații. Acționarea și controlul fiecărei articulații se obțin prin intermediul unor dispozitive precum ambreiaj cu acțiune automată, frână sau mecanisme de autoblocare. Diferite traiectorii ale degetelor pot fi atinse prin blocarea selectivă a anumitor rotații ale articulațiilor. Figura 15 ilustrează un deget subacționat cu un sistem de blocare cu clichet de frecare (Peerdeman et al. 2013).

Exemple de gripper subacționate (mâini)

Datorită cererilor tot mai mari din partea industriei, în cercetare au fost propuse câteva degete subacționate. Unele dintre ele se bazează pe legături, în timp ce altele se bazează pe mecanisme acționate de tendon. Această secțiune descrie caracteristicile de proiectare ale unor mâini obișnuite subacționate (grippere).

Gripper subacționat adaptabil la offsetul poziției

Griperul prismatic cu două DOF, așa cum este prezentat în Fig. 16, este un gripper simplu subacționat pentru obiecte care nu sunt centrate în prindere. Sistemul este format din două degete constrânse să se miște numai în translație liniară. Fiecare deget are un anumit arc și un cablu de antrenare care exercită forță asupra degetelor. Tendonul principal de acţionare trage sistemul cu forţa Ta. În această configurație, tendoanele de antrenare sunt decuplate la două actuatoare unice TR și TL folosind un sistem de scripete flotant. Scripetele flotant acționează ca un simplu diferențial pentru a se potrivi cu forța de tensiune din fiecare tendon de ieșire (Peerdeman et al. 2013; Odhner și Dollar 2011).

Mecanismul scripetelui flotant cuplează unul la două cabluri de antrenare de ieșire și prin urmare, gripperul este subacționat. De asemenea, permite sistemului să se adapteze la offsetul obiectelor, u, în cadrul prinderii. Figura 16c prezintă deplasările degetelor XL și XR pe măsură ce forța de acționare crește, demonstrând această adaptabilitate.

Mână subacționată conformă selectiv

Mâna (Fig. 17), numită și mână SRI (Belter and Dollar 2011; Krut et al. 2010), este formată din trei degete identice, fiecare acţionat de un dispozitiv de acționare cu șnur răsucit. Fiecare deget are trei falange conectate în serie cu un cablu care trece de-a lungul scripetelor din articulații, terminat la vârful degetului (Fig. 18a). Deoarece există trei grade independente de libertate în deget și un singur dispozitiv de acționare, sunt atașate arcuri de-a lungul fiecărei articulații pentru a asigura acționarea de retur și pentru a echilibra forța tendonului de închidere între fiecare falangă. Extinderea de la fiecare falangă în articulații este un set intercalat de suprafețe utilizate pentru a bloca electrostatic fiecare articulație (Fig. 18b). Acoperind fiecare falangă este un set de senzori capacitivi de forță. Tensiunea tendonului este măsurată folosind celule de sarcină integrate în traseul tendonului, permițând controlul forței folosind tensiunea tendonului. Palma are un motor suplimentar pentru a permite reconfigurarea pozițiilor și orientărilor degetelor, permițând prinderi opuse, sferice și întrețesute.

O mână subacționată conformă

Această mână, numită și mână iHY (iRobot-Harvard-Yale), a fost concepută pentru a răspunde nevoii de a avea o mână durabilă, ieftină și moderat abilă. Are trei degete și cinci dispozitive de acționare (Fig. 19): Fiecare dintre cele trei degete are un singur tendon flexor care parcurge lungimea degetului, iar gradul de libertate de aducție/abducție pe perechea de degete este determinat de un al patrulea. Un al cincilea actuator alimentează un tendon extensor de pe articulația proximală a degetului mare. Acest actuator permite setarea independentă a unghiului de legătură al articulațiilor proximale și distale ale degetului mare și este deosebit de util pentru sarcini în care vârful degetului mare trebuie să se miște arbitrar în plan, cum ar fi pivotarea degetului.

Degetele iHY (Fig. 20) utilizează un design modular cu două legături. Articulația proximală a știftului care conectează degetul de mână este montată pe o bază magnetică circulară care servește ca punct de atașare modular și, de asemenea, ca un cuplaj de rupere cu forță mare pentru a se asigura că degetele vor fi deteriorate minim în cazul unei coliziuni catastrofale. Contactele electrice „pogo pin” cu arc simplifică și mai mult degetele modulare, astfel încât înlocuirea unui deget poate fi realizată prin lovirea degetului în poziție, apoi atașarea tendonului flexor. Un punct de atașare a tendonului pentru tendonul antagonist utilizat pe degetul mare este inclus la baza legăturii proximale de pe toate degetele, astfel încât orice deget poate fi folosit interschimbabil în orice poziție a mâinii.

Una dintre cele mai importante caracteristici ale degetului iHY este complianța sa ridicată, în special la flexura distală. Balamaua de flexură distală permite mișcarea în afara planului. Articulația proximală a știftului include un arc de torsiune, care oferă articulației proximale o anumită elasticitate. Această complianță servește mai multor scopuri: în primul rând, deoarece degetele nu au tendoane extensoare, elasticitatea articulară singură extinde degetele atunci când tendoanele flexoare sunt relaxate. Acest lucru este util în special atunci când se lucrează cu mâna într-un mediu necunoscut unde este probabilă o coliziune cu obstacole, astfel încât degetele se deformează doar ca răspuns la contactul neplanificat. Conformitatea torsională la nivelul articulației distale de flexare oferă o robustețe similară cu vârfurile degetelor pentru contactul în afara planului. Al doilea scop servit de complianța pasivă a degetelor este adaptarea pasivă la forma obiectului apucat, ceea ce elimină nevoia de a detecta și de a reacționa la mici variații ale geometriei suprafeței.

Mâna subacționată antrenată de legături

Această mână a fost dezvoltată de Universitatea Laval și denumită ca Mâna auxiliară robotică autoadaptabilă (SARAH). Ea cuprinde trei degete identice subacționate și fiecare are trei DOF-uri. Mâna include zece DOF în total, dar are doar două dispozitive de acționare. Un actuator este folosit pentru a controla deschiderea/închiderea tuturor celor trei degete, în timp ce un alt actuator este folosit pentru a comanda orientarea degetelor. Sistemul general este ilustrat în Fig. 21 (Birglen et al. 2002, 2008).

Fiecare dintre cele trei degete identice este montat pe o articulație revolute suplimentară a cărei axă este situată pe vârful unui triunghi echilateral și orientată normal pe planul triunghiului. Transmisia de orientare folosește un actuator pentru a antrena cele două degete rotative. Această rotație este sincronizată de sistemul de angrenaj, iar degetele se rotesc în direcții opuse. Dacă unele degete sunt blocate, degetele rămase vor continua să se închidă până când apucă corect obiectul. Forța este aplicată pe deplin numai atunci când toate degetele au intrat în contact corespunzător cu obiectul sau cu palma. Cu aceste articulații revolute suplimentare, mâinile pot fi reconfigurate prin modificarea orientării degetelor pentru a se adapta la geometria generală a obiectului de apucat.

Mecanismul degetului subacționat cu trei DOF este prezentat în Fig. 22. Este compus din două paralelograme montate în serie. Două limite mecanice cu arcuri la capetele de sus și de jos ale mecanismului permit realizarea unor prinderi de precizie și adaptarea la prinderi de putere dacă este necesar.