CC BY
9
STRUCTURE OF FORCE ANALYSIS OF THE BOOM LIFTING DEVICE OF A SMALL ELECTRIC FORKLIFT
N.V. Babochenko, S.A. Voinash
The design features of a small-sized electric forklift with a boom lifting device are considered. A force analysis of the boom lifting device of a small-sized electric forklift with the number of degrees of freedom equal to three is presented. Based on literary sources, the characteristics of available electric forklifts and boom lifting equipment are given, which can be used in the force analysis of the boom device of a small-sized electric forklift. Reactions in the supports and forces in the rods were determined according to the design power diagrams of the boom lifting device of a small-sized electric forklift given in the article. According to the above electronic program, the possibility of determining the coverage area of the boom lifting device of a small-sized electric forklift and considering its service area are being considered. As can be seen from the article, using the equations of equilibrium of forces and moments, it is possible to carry out a force analysis of the boom lifting device of a small-sized electric forklift.
Key words: force analysis, electric forklift with a boom lifting device, characteristics, formula, reactions, torque.
Babochenko Natalia Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Volgograd, Volgograd State Agricultural University,
Voinash Sergey Aleksandrovich, junior researcher, sergey_voi@mail. ru, Russia, Rubtsovsk, Rubtsovsk Industrial Institute (branch) of Polzunov Altai State Technical University
УДК 621.865
DOI: 10.24412/2071 -6168-2024-7-420-421
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ МЯГКОГО СХВАТА НА ОСНОВЕ ПНЕВМОПРИВОДА И ГИБКИХ ЭЛАСТОМЕРОВ
Е.В. Лебедева, А.А. Жиленков
В статье рассматриваются основные принципы работы систем мягких схватов, анализируются преимущества и недостатки таких систем. На основе полученных данных разработана система схвата для манипуляций с легкими, хрупкими объектами и объектами нестандартной формы.
Ключевые слова: робототехника, мягкий схват, гибкий эластомер, пневмопривод.
Актуальность статьи обусловлена растущим интересом к созданию роботов и автоматизированных систем с мягкими захватами, которые обладают уникальными возможностями по взаимодействию с различными объектами без ущерба для них. Системы мягкого схвата, с использованием пневмоприводов и гибких эластомеров обладают потенциалом для множества приложений, от медицинских роботов до производственных линий.
Мягкие роботы в основном состоят из жидкостей, гелей, функциональных полимеров и других легко деформируемых материалов. Эти материалы обладают во многом теми же эластичными и реологическими свойствами, что и мягкая биологическая материя, и позволяют роботу оставаться работоспособным даже при растяжении и сжатии. Что еще более важно, все эти материалы совместимы с современной технологией 3D-печати. Мягкие роботы — очень молодая область исследований, в основном вдохновленная природными механизмами, которые веками оптимизировались для решения конкретной задачи [1]. Однако создание такой системы требует комплексного подхода и тщательной разработки.
Анализ требования и аналогов. Прежде чем приступить к разработке, необходимо провести анализ требований и аналогов.
Требования включают в себя определение целей системы мягкого схвата и ее ключевых параметров. Целью системы мягкого схвата является манипуляция с легкими, хрупкими объектами и объектами нестандартной формы. Параметры системы должны быть в пределах 300 мм в длину, 150 мм в ширину и весом до 300 грамм (рис. 1).
Аналоги
Существует ряд аналогов, некоторые из них представлены ниже:
1. Схват на основе желатина (рис. 2).
Здесь применяются съедобные материалы для создания «съедобной робототехники». Съедобные роботы могут быть разлагаемыми, совместимыми с организмом и экологически безопасными, не вызывающими токсичности или с меньшей степенью токсичности [1]. Кроме того, съедобные роботы могут служить источником энергии, обеспечивая преимущества в увеличении полезной нагрузки по сравнению с несъедобными роботами, которые требуют загрузки пищевыми ресурсами.
Сферами применения таких роботов могут стать исследования, медицинские процедуры для людей и животных, а также транспортировка пищевых продуктов, где робот сам является пищей.
Используя свойство плавления желатина, привод может регенерироваться и использоваться повторно, что отличает его от существующих мягких пневматических приводов [1].
Важными недостатками являются сложность изготовления и зависимость от условий окружающей среды, включая влажность и температуру, желатино-глицериновый материал изменяет свои свойства в зависимости от влажности воздуха.
145,22
*
п
■¿Я
Рис. 2. Пример работы схвата на основе желатина
Рис. 3. OctopusGripper
2. OctopusGripper. Для манипуляций с предметами OctopusGripper использует присоски. Их работа основана на откачке воздуха. Присоски позволяют щупальцу захватывать и удерживать предмет любой частью щупальца, для этого воздух распределяется по присоскам равномерно, не концентрируясь в какой-либо точке (рис. 3).
Под действием сжатого воздуха щупальце изгибается так, что может обернуться вокруг какого-нибудь предмета. Данный схват весит всего около 3 кг. При этом он способен поднимать груз, равный своему весу и манипулировать им [2].
Важными недостатками являются использование откачки воздуха, что приводит к меньшей устойчивости системы к механическим повреждениям и неспособность манипулировать плоскими и хрупкими объектами.
3. Bionic Handling Assistant. Данный захват состоит из трех адаптивных пальцев [3]. Конструкция пальца не сгибается под боковым давлением — она изгибается вокруг точки давления. Таким образом, пальцы мягко смыкаются вокруг объектов, которые нужно захватить, и позволяют не разрушать легко ломающиеся объекты и адаптироваться к предметам различной формы. Данный схват удовлетворяет требованиям для системы. Поэтому он будет использован как пример для разработки нового схвата.
Разработка. Для разработки был выбран мягкий схват из-за наличия необходимых свойств, таких как:
1. Адаптивность: Гибкие эластомеры могут адаптироваться к форме и размеру объекта, что делает их идеальными для захвата различных предметов без необходимости постоянной перенастройки.
2. Легкость и энергоэффективность: Мягкие схваты обычно легче и более компактны, чем их жесткие аналоги, что упрощает интеграцию в различные роботизированные системы.
3. Легкость в управлении: Пневматический привод обеспечивает быструю реакцию на команды и позволяет точно регулировать давление в системе.
4. Безопасность: Мягкие схваты могут использоваться в средах, где жесткие могли бы нанести вред окружающим объектам или людям. Они могут уменьшить риск повреждения как самой системы, так и объектов, с которыми они взаимодействуют.
Так же при разработке были учтены недостатки мягких схватов:
1. Низкая прочность и долговечность: эластичные материалы, из которых они сделаны, могут быстро изнашиваться и терять свои свойства.
2. Точность и эффективность: мягкие роботы могут быть менее точными и эффективными, чем жесткие роботы, из-за их гибкости и способности к деформации.
3. Сложность и дороговизна создания мягких роботов по сравнению с созданием жестких роботов
больше.
Системы мягкого схвата с пневмотическим приводом на основе гибких эластомеров находят применение в разных сферах, некоторые из них:
1. Производство: Роботы с мягкими схватами могут собирать, упаковывать и перемещать разнообразные предметы на производственных линиях.
2. Медицина: Мягкие схваты могут использоваться в хирургии и реабилитации для мягкого и точного взаимодействия с тканями и инструментами.
3. Обслуживание и ремонт: Роботы с мягкими схватами могут обслуживать и ремонтировать сложное оборудование, включая электронику и механические устройства.
За пример принципа работы схвата взят Bionic Handling Assistant с некоторыми изменениями. С помощью двух пальцев проще манипулировать тонкими, плоскими объектами, такими как лист бумаги. Так же был изменён способ движения пальцев, вместо удлиняющейся и сокращающейся трубки был использован пневмоцилиндр. Далее была разработана 3D модель системы (рис. 6). Габариты системы соответствуют требованиям.
Испытания. На основе 3D модели был создан прототип (рис. 7). Масса готового прототипа 194 гр.
После чего были проведены испытания с разными типами объектов:
1. Цилиндрические объекты:
Схват удерживает объекты цилиндрической и сферической формы весом до 30 гр (рис. 4)
• ;г: *) д) е)
Рис. 4. Испытание №1: а - диаметр = 49 мм, масса (т) = 27 гр; б - d = 47 мм, т = 15 гр; в - d = 84 мм, т = 30 гр; г - d = 15 мм, т = 12 гр; д - d = 20 мм, т = 1 гр; е - d = 67 мм, т = 24 гр
2. Плоские объекты (рис. 5)
а
у
Рис. 5. Испытание №2. Слева объект массой 19 гр, справа 11 листов общей массой 1,6 гр
422
Схват удерживает плоские объекты, в том числе листы бумаги до 11 штук массой 1,6 гр. При увеличении количества листов центральные выпадают.
Заключение. В этой статье был рассмотрен мягкий схват с пневмоприводом, его преимущества, недостатки и возможные области применения.
Результаты определения характеристик показали, что схват обладает механическими свойствами, которые находятся в нормальном диапазоне, что и у других мягких схватов на основе силиконовых эластомеров. Основываясь на полученных результатах, также был разработан прототип мягкого схвата с пневматическим приводом. Возможно, мягкие схваты в сочетании с пневмоприводами могли бы проложить путь к новой области мягкой робототехники [5]. С помощью этого захвата была продемонстрирована работа с различными объектами.
Список литературы
1. Jun Shintake Soft Pneumatic Gelatin Actuator for Edible Robotics (Jun Shintake, Harshal Sonar, Egor Piskarev, Jamie Paik, Dario Floreano).
2. Жиленков А.А. Эволюция и проблемы реализации систем мягкой робототехники / А.А. Жиленков, А.А. Силкин, В.Г. Лещинский // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. Вып. 4. С. 51-55. DOI 10.24412/2071-6168-2023-4-51-56. EDN CKPWRE.
3. Festo - Bionic Handling Assistant. [Электронный ресурс] URL: https://www.festo.com/us/en/e/about-festo/research-and-development/bionic-learning-network/highlights-from-2010-to-2012/bionic-handling-assistant-id 33759/ (дата обращения: 08.11.2023).
4. Жиленков А.А. Возможности и ограничения современных манипуляционных роботов в решении прикладных задач / А.А. Жиленков, А.А. Саенко, Х. Йе // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. № 4. С. 86-91. DOI 10.24412/2071-6168-2023-4-86-91. EDN BXPWCW.
5. Черный С.Г. Архитектура системы поддержки принятия решений в процессе мониторинга технического состояния критического оборудования / С.Г. Черный, В.А. Емельянов, Н.Ю. Емельянова // Программные продукты и системы. 2023. № 3. С. 451-458. DOI 10.15827/0236-235X.143.451-458. EDN IEVCZQ.
Лебедева Екатерина Владиславовна, лаборант, kata-lebedeva-2017@mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет,
Жиленков Антон Александрович, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет
DESIGN AND DEVELOPMENT OF A SOFT GRIP SYSTEM BASED ON A PNEUMATIC ACTUATOR AND FLEXIBLE
ELASTOMERS
E.V. Lebedeva, A.A. Zhilenkov
The article discusses the basic principles of soft grip systems, analyzes the advantages and disadvantages of such systems, and provides examples of implemented projects. And, based on the data obtained, a grappling system has been developed for manipulating light, fragile objects and objects of non-standard shape.
Key words: robotics, soft grip, flexible elastomer, pneumatic actuator.
Lebedeva Ekaterina Vladislavovna, laboratory assistant, [email protected], Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State Maritime Technical University,
Zhilenkov Anton Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, head of the department, [email protected], Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State Marine Technical University
