Problematyka doboru obciążeń przy projektowaniu i optymalizacji manipulatorów przenośnych robotów mobilnych do zastosowań specjalnych

pol Artykuł w języku polskim DOI: 10.14313/PAR_243/61

wyślij Tomasz Krakówka *, Andrzej Typiak ** * Sieć Badawcza Łukasiewicz – Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP, Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa ** Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Instytut Robotów i Konstrukcji Maszyn, ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

Pobierz Artykuł

Streszczenie

Konstrukcje manipulatorów robotów mobilnych do zastosowań specjalnych muszą podlegać optymalizacji w celu osiągnięcia wymaganych zdolności roboczych przy zachowaniu niskiej masy. W literaturze dotyczącej optymalizacji konstrukcji manipulatorów autorzy najczęściej przyjmują w swoich obliczeniach najbardziej niekorzystny stan obciążenia, bądź uwzględniają kilka wyróżnionych stanów obciążenia wynikających ze statyki lub ruchu dynamicznego obciążonego manipulatora. Do przeprowadzenia optymalizacji konstrukcji manipulatora robota teleoperowanego, który podczas operowania narażony jest na kontakt z przeszkodami w nieustrukturyzowanym środowisku, analiza obciążeń musi być wykonana wieloaspektowo. Wyniki takiej analizy służą do doboru elementów manipulatora np. napędów, a także do określenia obciążeń dla projektowania struktury nośnej konstrukcji oraz jej optymalizacji. Wyznaczone obciążenia mogą zostać wykorzystane do optymalizacji topologicznej komponentów manipulatorów w celu minimalizacji masy przy zachowaniu wytrzymałości dostosowanej do warunków pracy. Przedstawione są wstępne prace nad przygotowaniem metody doboru takich obciążeń.

Słowa kluczowe

manipulator, optymalizacja manipulatorów, roboty pirotechniczne, robotyka, złożone przypadki obciążeń

Selection of Loads in the Design and Optimization of Manipulators of Portable Mobile Robots for Special Applications

Abstract

The construction of mobile robot manipulators for special applications must be optimized to achieve the required working capacity while maintaining a low mass. In the literature on the optimization of manipulator structures, the authors most often take into account the most unfavorable load case in their calculations or take into account several distinguished load cases resulting from the static or dynamic of the loaded manipulator. To optimize the design of a teleoperated robot manipulator, which during operation is exposed to contact with obstacles in an unstructured environment, the load analysis must be carried out in many aspects. The results of such analysis are used to select manipulator elements, e.g. drives, and to determine the loads for the design of the load-bearing structure and its optimization. The determined loads can be used to perform topological optimization of components of manipulators to minimize the mass while maintaining strength adapted to the operating conditions. Preliminary work on the preparation of a method for selecting such loads is presented.

Keywords

eod robots, manipulator, multiple load cases, optimization of manipulators, robotics

Bibliografia

  1. Sereinig M., Werth W., Faller L.-M., A review of the challenges in mobile manipulation: systems design and RoboCup challenges, “Elektrotechnik und Informationstechnik”, Vol. 137, No. 6, 2020, 297–308, DOI: 10.1007/s00502-020-00823-8.
  2. Bendsøe M., Sigmund O., Topology optimization. Theory, methods, and applications. 2004, DOI: 10.1007/978-3-662-05086-6.
  3. Tyflopoulos E., Steinert M., Topology and Parametric Optimization-Based Design Processes for Lightweight Structures, “Applied Sciences”, Vol. 10, No. 13, 2020, DOI: 10.3390/app10134496.
  4. Wang X., Zhang D., Zhao C., Zhang P., Zhang Y., Cai Y., Optimal design of lightweight serial robots by integrating topology optimization and parametric system optimization, “Mechanism and Machine Theory”, Vol. 132, 2019, 48–65, DOI: 10.1016/j.mechmachtheory.2018.10.015.
  5. Lakshmi Srinivas G., Javed A., Topology Optimization of Industrial Manipulator-Link Considering Dynamic Loading, “Materials Today”, Proceedings, Vol. 18, Part 7, 3717–3725, DOI: 10.1016/j.matpr.2019.07.306.
  6. Lakshmi Srinivas G., Javed A., Topology optimization of rigid-links for industrial manipulator considering dynamic loading conditions, “Mechanism and Machine Theory”, Vol. 153, 2020, DOI: 10.1016/j.mechmachtheory.2020.103979.
  7. Sha L., Lin A., Zhao X., Kuang S., A topology optimization method of robot lightweight design based on the finite element model of assembly and its applications, “Science Progress”, 2020, DOI: 10.1177/0036850420936482.
  8. Zhang H., Huang Y., Mo Z., Zhang X., Mechanism Design and Analysis for a Lightweight Manipulator Based on Topology Optimization Methods, “Mechanism and Machine Science”, Singapore, 2017, 467–477, DOI: 10.1007/978-981-10-2875-5_39.
  9. Wu H., Yin M., Zhao Z., Xu Z., Topology optimization method and lightweight design of anthropomorphic manipulator, “Journal of Physics: Conference Series”, Vol. 1453, No. 1, 2020. DOI: 10.1088/1742-6596/1453/1/012068.
  10. Briot S., Goldsztejn A., Topology Optimization of Industrial Robots: Application to a Five-bar Mechanism, “Mechanism and Machine Theory”, Vol. 120, 2018, 30–56, DOI: 10.1016/j.mechmachtheory.2017.09.011.
  11. Kim B.J., Yun D.K., Lee S.H., Jang G.-W., Topology optimization of industrial robots for system-level stiffness maximization by using part-level metamodels, “Structural and Multidisciplinary Optimization, Vol. 54, 2016, 1061–1071, DOI: 10.1007/s00158-016-1446-x.
  12. Novotny A.A., Lopes C., Santos R., Topological Derivative-based Topology Optimization of Structures Subject to Multiple Load-cases, “Latin American Journal of Solids and Structures”, Vol. 12, No. 5, 2014, DOI: 10.1590/1679-78251252.
  13. Canfield-Hershkowitz B., Foster T., Meijer W., Rifle and Shotgun Recoil Test System, 2013.
  14. Parate B.A., Chandel S., Shekhar H., Estimation of Recoil Energy of Water-Jet Disruptor, “Problemy Mechatroniki: uzbrojenie, lotnictwo, inżynieria bezpieczeństwa”, Vol. 11, Nr 2, 2020, 31–42, DOI: 10.5604/01.3001.0014.1991.
  15. Ogura Rescue Tools – truly portable rescue tools, https://ogurarescuetools.com.
  16. Trevelyan J.P., Kang S.-C., Hamel W.R., Robotics in Hazardous Applications, “Springer Handbook of Robotics”, 2008, 1101–1126, DOI: 10.1007/978-3-540-30301-5_49.
  17. Creo CAD Software: Enable the Latest in Design | PTC, www.ptc.com/en/products/creo.
  18. Buffinton K.W., Kane’s Method in Robotics, “Robotics and Automation Handbook”, CRC Press, 2005.